Граничні – це такі стани, при яких конструкції перестають задовольняти вимогам, поставленим під час зведення і експлуатації
ЛЕКЦІЯ 3. ОСНОВИ МЕТОДУ ГРАНИЧНИХ СТАНІВ
Визначення і класифікація граничних станів
3.1.1. Впровадження методу. Наведені в попередніх лекціях суттєві недоліки методу допустимих напружень були досить давно помічені радянськими інженерами і вченими. Внаслідок цього на найвищому державному рівні була поставлена задача розробити єдиний метод розрахунку і удосконалити систему коефіцієнтів запасу.
Ще до закінчення Великої Вітчизняної війни, в 1943 р. при Технічній раді Наркомбуду СРСР була організована комісія по уніфікації методів розрахунку будівельних конструкцій, яка пізніше перейшла у ведення Центрального науково-дослідного інституту промислових споруд (ЦНИПС). Для роботи у комісії були залучені В.О. Балдін (металеві конструкції), О.О. Гвоздєв (залізобетонні конструкції і будівельна механіка), І.І. Гольденблат (теорія пружності), Ю.М. Іванов, В.М. Коченов (дерев’яні конструкції), В.М. Келдиш (голова комісії, залізобетонні конструкції), Л.І. Онищик (кам’яні конструкції). М.С. Стрілецький (металеві конструкції і статистичні методи розрахунку), К.Е. Таль (залізобетонні конструкції). В 1944 р. комісія внесла пропозиції про заміну єдиного коефіцієнта запасу системою диференційованих коефіцієнтів мінливості. На основі цих пропозиції і подальших досліджень та обговорень дещо пізніше у 1955 році відбувся перехід розрахунку усіх конструкцій на більш сучасну і обґрунтовану методику граничних станів.
Перші норми проектування сталевих конструкцій за граничними станами – НиТУ 121-55 «Нормы и технические условия проектирования стальних конструкцій» і СНиП II-Б. 1-54 «Строительные нормы и правила. Нагрузки и воздействия». Далі обидва документи були неодноразово перероблені і перевидані на постійній загальній основі методу граничних станів. В останні роки в Україні розроблені (з участю автора даного посібника) суттєво змінені норми навантажень (ДБН В.1.2-2:2006 «Навантаження і впливи») і норми проектування сталевих конструкцій (ДБН 000 «Сталеві конструкції»).
3.1.2. Визначення граничних станів. Необхідність переходу до методу граничних станів може бути аргументована наступнім чином. Задамося питанням: яка основна задача стоїть перед інженером при проектуванні будівлі або споруди? На перший погляд відповідь ясна – забезпечити несучу здатність конструкцій, і на це питання з певною неточністю відповідав метод допустимих напружень. Але для чого нам потрібен, наприклад, міцний будинок, в якому неможливо або некомфортно жити (стіни просідають і тріщать (Полтавський краєзнавчий музей), в будинку холодно внаслідок недостатньої теплоізоляції, погана звукоізоляція)? Або потужний промисловий цех, в якому неможливо працювати (Полтавський алмазний завод з текучими покрівлями, Кременчуцький завод «Ампер» з вібруючими перекриттями)? Очевидно, що головна вимога до будівель, споруд та їх конструкцій є в тому, щоб їх було нормально експлуатувати.
Отже, метою розрахунку будівельних конструкцій є забезпечення необхідних умов експлуатації будівлі чи споруди і достатньої їх міцності при найменшій зведеній вартості, тобто найменших витратах матеріалів та праці на виготовлення, монтаж і експлуатацію.
Граничні – це такі стани, при яких конструкції перестають задовольняти вимогам, поставленим під час зведення і експлуатації.
Відмітимо, що граничні стани мають різну значимість. Зокрема, при настанні одних з них виникають тільки перешкоди нормальній експлуатації. Наведемо тут деякі приклади.
· Прогин підкранової балки, що перевищує 1/400 прольоту, затрудняє рух мостового крану і потребує при цьому додаткових витрат енергії.
· Прогин балок перекриття у межах 1/150…1/200 викликає дискомфортний стан у працюючого персоналу.
· Помітні переміщення каркасу будівлі можуть призвести до пошкодження стінового огородження.
· Пошкодження антикорозійного покриття сприяють розвитку корозії сталі і зменшують довговічність конструкцій.
Інша ситуація складається якщо граничний стан призводить споруду до повної неприйнятності до експлуатації. Наведемо і тут характерні, значно небезпечніші приклади.
· Поперечна тріщина в розтягнутому поясі балки, що може спричинити її руйнування.
· Втрата стійкості стиснутого розкосу, яка веде до падіння ферми.
· Утворення шарніра пластичності в одно пролітній балці, що перетворює її у змінну систему.
3.1.3. Класифікація граничних станів.Граничні стани поділяються на дві групи.
Граничні стани першої групи – призводять до вичерпання несучої здатності конструкцій та (або) зумовлюють їх повну непридатність до подальшої експлуатації. Вимоги цієї групи абсолютні, оскільки при їх порушенні конструкція, зокрема металева, перестає існувати, перетворюючись на металолом. Стани цієї групи зазвичай називають «граничними станами за несучою здатністю»)
Граничні стани другої групи – зумовлюють непридатність конструкцій до нормальної експлуатації чи знижують їх довговічність внаслідок значного деформування. Нормальною вважають експлуатацію, яка здійснюється відповідно до технологічних або побутових умов без обмежень, передбачених у нормах чи завданні на проектування. Вимоги цієї групи менш категоричні, бо стосуються тільки режиму експлуатації конструкцій, яким можна керувати. Стани цієї групи зазвичай називають «граничними станами за деформаціями».
До граничних станів першої групи відносяться:
· в’язке, крихке, втомне чи іншого характеру руйнування, спричинене силовими впливами;
· руйнування від одночасної дії силових факторів та несприятливих впливів зовнішнього середовища;
· загальна втрата стійкості форми (наприклад, втрата стійкості балки або стиснутого розкосу ферми) ;
· втрата стійкості положення (наприклад, повалення підпорної стінки або димової труби) (падіння плавучого крану «Захарій» в Києві 18 листопада 2011 р);
· якісна зміні конфігурації, перетворення конструкції у геометрично змінну систему;
· резонансні коливання;
· стани, при яких виникає необхідність припинити експлуатацію через надмірну текучість матеріалу, зсуви у з’єднаннях, повзучість, наявність тріщин у металевих конструкціях.
До граничних станів другої групи відносяться:
· переміщення конструкцій, що створюють перешкоди для експлуатації споруди;
· надмірні осідання, кути повороту конструкцій;
· коливання, що порушують роботу обладнання або санітарно-гігієнічні норми для працюючого персоналу;
· розкриття тріщин у залізобетонних конструкціях (у перших варіантах норм розрахунку це відносилося до окремого третього граничного стану, який згодом прибрали з норм)
· інші порушення, що ведуть до тимчасового припинення експлуатації та проведення ремонту.