Когда-то коэффициент надежности по нагрузке назывался коэффициентом перегрузки – термином более понятным, но не совсем точным. Дело в том, что в целом ряде случаев неблагоприятным является отклонение нагрузки не в большую, а в меньшую сторону, т.е. не перегрузка, а недогрузка. Тогда назначают gf < 1 (например, для собственного веса конструкции при расчете ее на устойчивость от опрокидывания или сдвига).
190. Когда используют расчетные и нормативные нагрузки?
Как уже было сказано в ответе 26, потеря несущей способности конструкций (прочности, устойчивости и т.л.) чревата тяжелыми последствиями, поэтому в расчете по 1-й группе предельных состояний используют не только расчетные сопротивления материалов (взятые с запасом по отношению к нормативным), но и расчетные нагрузки (также взятые с запасом по отношению к нормативным). Короче говоря, запасы вводят с двух сторон.
При расчете по 2-й группе (деформации, трещиностойкость) используют нормативные нагрузки. Исключение составляют элементы 1-й категории трещиностойкости, которые по образованию трещин рассчитывают на воздействие расчетных нагрузок – образование трещин в них приводит к утрате эксплуатационных свойств.
191. С какой целью нагрузку разделяют на постоянную, длительную и кратковременную?
Продолжительность действия нагрузки влияет на прочность и деформативность любых материалов, а бетона в особенности (см. главу 1). Поэтому всю нагрузку разделяют на две части: постоянную и временную, а временную, в свою очередь, – на длительную и кратковременную. Причем постоянную и длительную потом обычно объединяют (суммируют) как нагрузки, действующие продолжительное время. К постоянным относят те нагрузки, которые существуют в течение всей «жизни» здания или сооружения: собственный вес несущих и ограждающих конструкций, вес или боковое давление грунтов и т. п. Разделение же временных нагрузок на длительные и кратковременные является условным, четких границ продолжительности их действия нет, поэтому в каждом конкретном случае необходимо обращаться к Нормам проектирования.
192. Длительной или кратковременной является снеговая нагрузка?
Всё зависит от географического района. В южных районах снега мало и держится он недолго, поэтому там, где нормативная снеговая нагрузка не превышает 7 кПа, всю её относят к кратковременной. В северных районах снеговой покров может держаться 6...8 и даже более месяцев, однако снеговая нагрузка растет постепенно в течение всей зимы, по мере выпадения осадков, поэтому часть нагрузки относят к длительной, а часть – к кратковременной (рис. 97). Причём, чем больше толщина снегового покрова, тем больше доля длительной нагрузки.
193. Как учитывается продолжительность действия нагрузки при проектировании железобетонных конструкций?
При проверке прочности расчётное сопротивление бетона Rb (Rbt) умножают на коэффициент условий работы gb2. Если действуют постоянные, длительные и кратковременные нагрузки (кроме так называемых нагрузок «непродолжительного действия», т.е. очень кратковременных – ветровых, крановых, транспортных и т.п.), то gb2 = 0,9. Если действуют нагрузки «непродолжительного действия», то их суммируют с остальными, а Rb (Rbt) умножают на gb2 = 1,1. Например, в одноэтажном каркасном здании нагрузки от ветра и мостовых кранов (т.е. нагрузки «непродолжительного действия») действуют на колонны, но не действуют на ригели рамы (балки, фермы), поэтому ригели рассчитывают с gb2 = 0,9, а колонны рассчитывают дважды: один раз с gb2 = 1,1 на действие полных нагрузок (FII), а второй раз – с gb2 = 0,9 на действие тех же нагрузок, но за вычетом крановых и ветровых нагрузок (FI). Если NI < 0,82NII, то можно ограничиться расчетом только на нагрузки FII (здесь под N подразумеваются любые усилия – изгибающий момент, продольная и поперечная силы, полученные из статического расчета при воздействии соответственно FI и FII).
С расчётным сопротивлением арматуры сжатию Rsc дело обстоит как раз наоборот: чем продолжительнее действует нагрузка, тем больше предельная сжимаемость бетона sbu, тем выше напряжения сжатия стали (см. вопрос 27). Поэтому, если в расчёте для бетона принято gb2 = 0,9, то значение Rsc можно увеличить с 400 до 500 МПа (если позволяет класс арматуры). При проверке прочности конструкций в стадии перевозки и монтажа, когда нагрузка (собственный вес) действует весьма непродолжительно, принимают gb2 = 1,1, однако величину Rsc уменьшают до 330 МПа, поскольку предельная сжимаемость бетона в этом случае очень мала (см. также вопрос 82).
Чем дольше действует нагрузка, тем больше ползучесть бетона, тем больше прогиб элемента, тем шире раскрываются трещины. Это обстоятельство учитывают специальными коэффициентами: при определении условной критической силы Ncr в расчёте сжатых элементов – коэффициентом jl, при определении прогибов изгибаемых элементов – коэффициентами jb и n, при определении ширины раскрытия трещин – коэффициентом n. В расчёте по раскрытию трещин, кроме того, используют коэффициент jl, который учитывает дополнительное нарушение сцепления арматуры с бетоном по обе стороны трещины при длительном действии нагрузки, что приводит к увеличению ширины раскрытия трещин.
194. Что такое неблагоприятное сочетание нагрузок?
Это такое сочетание, которое вызывает в опасных сечениях максимальные (по модулю) усилия. Какого-то общего рецепта для определения неблагоприятных сочетаний нет, в каждом отдельном случае нужно подходить индивидуально. Например, при статическом расчете одноэтажной поперечной рамы производственного здания нужно выбирать такие направления ветровой и крановой нагрузок, которые вызывают максимальные по модулю изгибающие моменты в расчетных сечениях стоек. Бывают также случаи, когда воздействие одной из нагрузок является благоприятным, поскольку снижает усилия в сечениях. Например, на стенки заглубленного резервуара изнутри действует боковое давление жидкости, а снаружи – разгружающее боковое давление грунта. Поэтому неблагоприятными здесь являются два сочетания: 1)воздействие давления грунта при отсутствии жидкости и 2)воздействие давления жидкости при отсутствии грунтовой засыпки (такое сочетание возникает до сдачи объекта в эксплуатацию: прежде, чем засыпать, резервуар заполняют жидкостью и подвергают испытанию на непроницаемость).
195. Что такое коэффициенты сочетания нагрузок?
Вероятность одновременного действия всех самых невыгодных временных нагрузок мала (например, максимального снегового покрова в сочетании с максимальным скоростным напором ветра, максимальными крановыми нагрузками и т.д.). Кроме того, сама продолжительность их одновременного воздействия незначительна (а выше уже отмечалось, что чем непродолжительнее действуют нагрузки, тем лучше им сопротивляются конструкции). Оба эти обстоятельства позволяют несколько снизить величины временных нагрузок путем умножения их значений на коэффициент сочетаний y (при условии, что число кратковременных нагрузок не менее двух): для длительных нагрузок y = 0,95, для кратковременных y = 0,9.
В расчёте перекрытий многоэтажных зданий сочетания временных нагрузок учитывают несколько иначе. С увеличением грузовой площади конструкции перекрытия (балки или ригеля, см. вопрос 197) вероятность одновременного воздействия на конструкцию максимальной временной равномерно распределенной нагрузки по всей грузовой площади уменьшается, поэтому в ряде случаев (жилые помещения, классные комнаты, торговые залы и пр.) величины временных нагрузок умножают на понижающий коэффициент сочетаний yА.
Уменьшается также вероятность одновременного действия максимальных временных равномерно распределенных нагрузок на перекрытия всех этажей, что при расчёте колонн, стен и фундаментов учитывают коэффициентом сочетаний yn. Формулы для определения yА и yn приведены в Нормах проектирования «Нагрузки и воздействия».
Всё вышеприведенное относится к основному сочетанию, состоящему из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок. Для особого сочетания, в которое, кроме указанных, входят еще и особые нагрузки (взрывные, аварийные и т. п. воздействия), величины длительных нагрузок умножают на y = 0,95, кратковременных – на y = 0,8.