Любое капитальное здание или сооружение возводится в строгом соответствии с утверждённым рабочим проектом. В составе документации наиболее ответственной частью является раздел КР («конструктивные решения»), который, в свою очередь, состоит из расчётной и графической частей. Все решения, принятые в проекте, касательно количества, габаритов поперечных сечений и внутреннего наполнения несущих элементов, принимаются после расчёта конструкции по несущей способности.
Расчет конструкции по несущей способности и жёсткости
В соответствии с действующими нормативами, расчёт модели сооружения проводится по двум группами предельных состояний:
- По несущей способности – подразумевается такое предельное состояние модели сооружения, когда несущий конструктивный элемент заданной жёсткости сопротивляется приложенным к нему постоянным, временным нагрузкам, не разрушаясь.
- По жёсткости (деформациям) – конструкция обеспечивает комфортную эксплуатацию объекта, когда под влиянием внешних сил не наступает пластическая деформация пластины или стержня, а величина прогиба удовлетворяет нормативным показателям.
При определении несущей способности конструкции должны обеспечиваться условия по предотвращению наступления предельных состояний обоих типов. Суть вычислений сводится к назначению сечения, жёсткости конструктивного элемента, проверке выполнения условий прочности, жёсткости с учётом требуемых коэффициентов запаса для каждой пластины или стержня после триангуляции контуров.
Построение расчётной схемы
Современные расчётные программы позволяют построить комплексную модель несущего каркаса сооружения для проведения последующего расчёта многократно статически неопределимой пространственной рамы с подбором минимально допустимой жёсткости элементов. Расчётная схема состоит из следующих частей:
- Несущие вертикальные и горизонтальные части здания, назначаемые на основе архитектурных чертежей:
- Вертикальные пластины – несущие стены.
- Вертикальные стержни – колонны, пилоны заданной жёсткости.
- Горизонтальные стержни – пролётные, консольные балки.
- Горизонтальные пластины – неразрезные или шарнирно сопряжённые диски перекрытий, фундаментные плиты.
- При наличии капителей или переменного сечения, жёсткость пластин в схеме может меняться, в зависимости от координат единичной пластины в шаге триангуляции.
- Упругая модель грунтового основания – представлена в виде неравномерно распределённой опорной реакции на фундаментные конструкции. Строится на основании анализа отчёта об инженерно-геологических изысканиях под пятном предполагаемой застройки.
- Навесные стены, перегородки – представлены в виде линейных нагрузок на диски перекрытий каждого уровня расчётной модели.
- Основные загружения и их сочетания:
- Постоянные нагрузки – вес полов, стационарного оборудования, отдельные штамповые загружения.
- Временные загружения – вес мебели, эксплуатационные воздействия от жизнедеятельности людей или технологичного процесса.
- Снеговые, ветровые внешние силы – прикладываются к ограждающим конструкциям модели здания, с учётом климатических зон, высотности и других нормативных параметров.
После создания расчётной модели здания, назначения основных деталей и приложения всех нагрузок, производится расчет строительных конструкций.
Сбор нагрузок
Для определения несущей способности строительных конструкций, необходимо точно собрать все нагрузки с учётом коэффициентов запаса и наиболее вероятных сочетаний:
- Производится послойный сбор веса конструкций пола – стяжка, адгезионный состав, чистовое покрытие и другие элементы, в зависимости от принятых в проекте данных.
- Собственный вес перегородок – постоянная нагрузка, вычисляется путём перемножения объема материала строительной конструкции на плотность вещества.
- Штамповые загружения – зависят от типа и веса оборудования, назначаются по техническому паспорту от производителя.
- Временные нагрузки – определяются по таблицам СНиП, в зависимости от функционального назначения здания. Например, для жилых и офисных помещений – от 100 до 150 кгс/м2.
- Снеговые нагрузки – учитываются нормативные значения, принимаемые по таблицам, согласно карте районирования климатических зон страны. Для Москвы и Московской области составляют 180 кгс/м2.
- Ветровые нагрузки – прикладываются к фасадной части каркаса здания. До 10 м высоты представляют собой показатели, равномерно распределённые по площади. Свыше 10 м – учитывается пульсационная составляющая, которая возрастает на каждый погонный метр высоты здания.
- Расчет нагрузок на металлоконструкции подразумевает учёт массы гололёда при проектировании высотных объектов, а также влияние линейного температурного расширения.
Все нормативные нагрузки умножаются на коэффициент запаса и одновременно прикладываются к построенной модели для проведения расчёта. При необходимости рассчитать несущую способность отдельного конструктивного элемента в схеме, на него собирается нагрузка, с учётом действия вышележащих несущих элементов.
Например, расчётные схемы балок представляют собой горизонтальные стержневые элементы установленной жестокости на 1, 2 или нескольких опорах с приложенными нагрузками от собственного веса плиты перекрытия.
Статический расчёт конструкции
Целью статического расчёта каркаса здание является определение предельных внутренних усилий в каждом элементе, которые образуются под действием внешних сил. Если расчётная нагрузка на элемент выбранной жёсткости превышает предельное значение, в детали построенной модели, либо в местах её сопряжения со смежными конструкциями наблюдается образование пластического шарнира, потеря устойчивости.
Выявление наибольших усилий или невыгодных их сочетаний
Первичной целью статического расчёта является определение внутренних усилий в каждом конструктивном элементе под действием внешних сил. Данные показатели выражаются в следующих типах усилий:
- Изгибающие моменты – характерны для пролётных или консольных балочных, плитных конструкций.
- Поперечные (перерезывающие) усилия – внутренние напряжения, возникающие в конструкциях сооружения на приопорных участках.
- Осевые усилия растяжения (сжатия) – определяются для стержневых или пластинчатых вертикальных элементов расчётной модели – стенах, колоннах, пилонах.
На основании вычисленных усилий также рассчитываются опорные реакции каждой пластины или стержня, что определят создание оптимального узла сопряжения – шарнира или жёсткого защемления.
Расчёт на прочность
После вычисления всех действующих на конструктивный элемент усилий, определяется предел прочности каждого конечной детали в схеме триангуляции пластин или стержней. Проверка ответственных сечений модели на прочность преследует следующие цели:
- Проверка выбранных геометрических характеристик каждой конструкции.
- Определение типа строительного материала, из которого должна быть возведена конструкция (класс бетона, арматуры, марка стали, кирпича).
- Определение типа узла сопряжения деталей между собой. Шарнирное сопряжение гасит изгибающий момент на приопорном участке, жёсткая заделка способствует передаче внутренних усилий на смежную часть здания.
Главная цель расчёта на прочность – идентификация предельного равновесия, когда статически неопределимая рама всё ещё может сопротивляться действию внешних сил без разрушения.
Расчёт на устойчивость
Вторым этапом расчёта является определение предельно возможных сочетаний загружений для КЭ заданной жёсткости, при которых сооружение не подвергается деформациям, выходящим за рамки допустимых значений, а именно:
- Выявление предельной осадки модели здания на упругом грунтовом основании.
- Определение крена здания из-за неравномерности осадок.
- Вычисления предельных прогибов каждого КЭ в пролётах, на краях консолей для вертикальных, горизонтальных стержней, пластин.
- Идентификация образования трещин, величины их раскрытия для ЖБ или армокаменных частей сооружения.
- Определение площадки текучести для металлоконструкций.
При неудовлетворительном результате, инженер изменяет показатели жёсткости для конструктивных элементов, после чего проводит расчёт повторно, до достижения нормативных показателей.
Несущая способность зданий и сооружений
При определении несущей способности зданий и сооружений вычисляется предельный показатель прочности и устойчивости, с учётом действующих расчётных нагрузок. Расчёт проводится в 2 этапа – для каждого КЭ в расчётной схеме, после чего для всего сооружения, с учётом назначенных узлов сопряжения, количества степеней свободы в каждом из них.
Несущая способность кирпичной кладки
Для каменных и армокаменных конструкций статический расчёт с проверкой несущей способности помогает решить следующие задачи:
- Проверка корректности выбранной марки кирпича, раствора.
- Определение необходимости установки кладочной сетки или вертикальных арматурных стержней. Процент, шаг армирования.
- Выявление усилий, при которых начинается потеря несущей способности кладки, образование трещин.
На основании проведённого расчёта, инженер получает возможность назначения оптимальных геометрических и прочностных показателей армокаменной стены, колонны или простенка.
Оценка несущей способности бетонных или железобетонных конструкций
При проведении оценки несущей способности бетонных и ЖБ конструкций, решаются следующие задачи:
- Определение предельного усилия, при котором упругие деформации сменяются пластическими.
- Определение требуемого количества армирования.
- Проверка корректности назначения геометрических характеристик сечения.
- Выбор оптимального типа сопряжения элементов между собой.
- Проверка на образование, раскрытие трещин.
- Анализ выбранного класса бетона, арматуры.
При проверке ЖБ элемента по несущей способности также учитываются условия работы и производства элементов. От этих параметров зависит величина коэффициентов запаса.
Особенности несущей способности фундамента
Фундамент является наиболее ответственной и трудоёмкой частью сооружения. При его расчёте инженер преследуют следующие цели:
- Необходимость усиления грунтового основания.
- Выбор типа фундамента – свайный, ленточный, столбчатый или плитный.
- Проверка толщины подошвы.
- Определение продавливающего усилия от действия внешний загружений.
- Проверка выбранного класса бетона.
- Величина осадки, крена.
Расчёт фундамента позволяет назначить оптимальный тип конструкции и принять решение по проведению дополнительных мероприятий в отношении основания под пятном застройки.
Особенности определения несущей способности вертикальных и горизонтальных конструктивных элементов
При выполнении комплектного статического расчёта конструктивных элементов сооружения, на основе анализа модели, разбитой на КЭ, инженер проверяет следующие показатели:
- Усилия в конструкции.
- Корректное назначение жёсткости каждой детали сооружения.
- Определение общей или местной потери устойчивости.
- Гибкость конструктивного элемента.
- Образование, раскрытие трещин.
- Выявление пластических шарниров, площадок текучести.
- Идентификация необходимости усиления деталей сооружения.
При корректно проведённых вычислениях, назначаются сечения каждого элемента из действующих сортаментов, а также проводятся мероприятия по обеспечению несущей способности при заданных граничных параметрах.
Несущая способность кровли и фасада
Кровля и фасад здания относятся к ограждающим конструкциям, на которые действуют внешние природные силы – ветровые и снеговые нагрузки. В зависимости от условий местности и объёмно-планировочных показателей сооружения, при расчёте данных деталей выявляются следующие параметры:
- Величина снеговой нагрузки и факт образования снеговых мешков, влияющих на повышающие коэффициенты.
- Проверка несущей способности конструкции кровли на потерю прочности и устойчивости под действием заданных загружений.
- Определение величины пульсационной составляющей ветровой нагрузки.
- Принятие решения о повышении жёсткости ограждающих стен, оконных конструкций.
- Необходимость проведения дополнительных мероприятий по усилению ненесущих элементов для успешного сопротивления внешним силам. Например, при проектировании навесного вентилируемого фасада, принимается решение об установке фахверков и других металлоконструкций.
Расчёт кровли и фасада сооружения должен гарантировать безопасную эксплуатацию конструктивных элементов при любых погодных условиях.
Заключение
Расчёт строительных конструкций по несущей способности обеспечивает безопасность работы сооружения. При проведении данного расчёта, определяются жёсткости каждого элемента в модели здания, на неё собираются все действующие внешние нагрузки. Расчёт проводится по двум группам предельных состояний – по пределу прочности и деформациям конструкции.
