К вопросу об учете нормативной строительной документации в курсе технической механики

К ВОПРОСУ ОБ УЧЕТЕ НОРМАТИВНОЙ СТРОИТЕЛЬНОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ В КУРСЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ

TO THE PROBLEM ON THE ACCOUNT OF THE STANDARD BUILDING DOCUMENTATION IN THE COURSE OF TECHNICAL

MECHANICS

А.Г. Паушкин A.G. Paushkin

ГОУ ВПО МГСУ

Условия прочности в строительных нормах для конструкций из разных материалов записываются немного по-разному, что приводит к особенностям изложения курса технической механики для строителей.

Conditions of strength in the building codes for structures made of différent materials are written slightly differently, which leads to the peculiarities of the course of technical mechanics to builders.

B процессе изучения технической механики в строительных ВУЗах одно из важнейших мест занимает подбор сечения стержней из различных материалов при растяжении и сжатии, изгибе, кручении и т.д. Рассмотрим некоторые условия прочности, взятые из нормативной строительной документации [2-5], т.е. обратимся к первоисточникам.

В соответствии с нормативными документами, используемыми в строительстве [1-5] строительные конструкции и основания следует рассчитывать по методу предельных состояний.

Как известно, предельные состояния подразделяются на две группы. Первая группа включает предельные состояния, которые ведут к полной непригодности к эксплуатации строительных конструкций, т.е. к полной или частичной потере их несущей способности. Вторая группа включает предельные состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию строительных конструкций или уменьшающие их долговечность по сравнению с предусматриваемым сроком службы.

Расчет строительной конструкции и ее элементов начинают с расчетной схемы, в том числе, с определения величин расчетных нагрузок, которые получаются умножением нормативных нагрузок на коэффициент надежности по нагрузке f. После обсуждения понятий «нормативная» и «расчетная нагрузка» возникает две методические задачи.

Первая задача - объяснить студентам термины «сбор нагрузок» и «грузовая площадь». Если об этом не рассказывать, то изложение материала становится не полным. Например, для балок покрытия, расположенных с шагом b, определив нормативную

4/2011

ВЕСТНИК

МГСУ

распределенную нагрузку на покрытие в кН/м2 и умножая ее на шаг Ь получим нормативную нагрузку на каждую балку в кН/м.

Вторая задача - рассказать студенту, откуда взять коэффициент у/. Обычно авторы учебных пособий задают этот коэффициент в условии задачи. Это действительно является выходом из положения, так как в противном случае студентам придется использовать СНиП 2.01.07-85 [2]. Чтобы понять, что выбрать значение у/ не так просто, приведем, с сокращениями, выдержки из СНиП 2.01.07-85 [2].

«Нагрузка определенного вида характеризуется, как правило, одним нормативным значением. Для нагрузок от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий, от мостовых и подвесных кранов, снеговых, температурных климатических воздействий устанавливаются два нормативных значения: полное и пониженное (вводится в расчет при необходимости учета влияния длительности нагрузок, проверке на выносливость и в других случаях, оговоренных в нормах проектирования конструкций и оснований)».

«Расчетное значение нагрузки следует определять как произведение ее нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке у/, соответствующий рассматриваемому предельному состоянию и принимаемый:

а) при расчете на прочность и устойчивость - в соответствии с пп. 2.2, 3.4, 3.7, 3.11, 4.8, 6.11, 7.3 и 8.7 ([2] - прим. автора);

б) при расчете на выносливость - равным единице;

в) в расчетах по деформациям - равным единице, если в нормах проектирования конструкций и оснований не установлены другие значения;

г) при расчете по другим видам предельных состояний - по нормам проектирования конструкций и оснований.

Расчетные значения нагрузок при наличии статистических данных допускается определять непосредственно по заданной вероятности их превышения.

При расчете конструкций и оснований для условий возведения зданий и сооружений расчетные значения снеговых, ветровых, гололедных нагрузок и температурных климатических воздействий следует снижать на 20 %».

«В зависимости от продолжительности действия нагрузок следует различать постоянные и временные (длительные, кратковременные, особые) нагрузки».

«Расчет конструкций и оснований по предельным состояниям первой и второй групп следует выполнять с учетом неблагоприятных сочетаний нагрузок или соответствующих им усилий».

«Эти сочетания устанавливаются из анализа реальных вариантов одновременного действия различных нагрузок для рассматриваемой стадии работы конструкции или основания».

Для примера, коэффициенты надежности по нагрузке для веса строительных конструкций и грунтов приведены в табл. 1 [2, табл. 1].

Таблица 1

Конструкции сооружений _и вид грунтов_

Коэффициент надежности по нагрузке у/

Конструкции: металлические

1,05 1,1

бетонные (со средней плотностью свыше 1600 кг /м3), железобетонные, каменные, армокаменные, деревянные

бетонные (со средней плотностью 1600 кг/м3 и менее),

изоляционные, выравнивающие и отделочные слои

(плиты, материалы в рулонах, засыпки, стяжки и т.п.),

выполняемые:

в заводских условиях 1,2

на строительной площадке 1,3

Грунты:

в природном залегании 1,1

насыпные 1,15

В [2, табл. 3] даны нормативные значения равномерно распределенных временных нагрузок на плиты перекрытий, лестницы и полы на грунтах (см. табл. 2).

Таблица 2

Здания и помещения Нормативные значения нагрузок, кПа

полное пониженное

1.Квартиры жилых зданий; спальные помещения 1,5

детских дошкольных учреждений и школ-

интернатов; жилые помещения домов отдыха и пан-

сионатов, общежитий и гостиниц; палаты больниц и

санаториев; террасы

2.Служебные помещения административного, 2,0

инженерно-технического, научного персонала орга-

низаций и учреждений; классные помещения учреж-

дений просвещения; бытовые помещения (гардероб-

ные, душевые, умывальные, уборные) промышлен-

ных предприятий и общественных зданий и соору-

жений

3. Кабинеты и лаборатории учреждений здраво- Не менее Не менее

охранения; лаборатории учреждений просвещения, 2,0

науки; помещения электронно-вычислительных ма-

шин; кухни общественных зданий; технические эта-

жи; подвальные помещения

4. Залы:

а) читальные 2,0

б) обеденные

в) собраний и совещаний, ожидания, зрительные и 4,0

концертные, спортивные

г) торговые, выставочные и экспозиционные Не менее Не менее

4,0

5. Книгохранилища; архивы Не менее Не менее

5,0

6. Сцены зрелищных предприятий Не менее Не менее

5,0

4/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

7. Трибуны:

а) с закрепленными сиденьями 4,0

б) для стоящих зрителей 5,0

8. Чердачные помещения 0,7 (70) -

9. Покрытия на участках:

а) с возможным скоплением людей

из производственных помещений, залов, аудиторий

и т.п.)

б) используемых для отдыха 1,5

в) прочих 0,5 (50) -

10. Балконы (лоджии) с учетом нагрузки:

а) полосовой равномерной на участке шириной 4,0

0,8 м вдоль ограждения балкона

б) сплошной равномерной на площади балкона 2,0

(лоджии), воздействие которой неблагоприятнее,

чем определяемое по поз.10, а

11. Участки обслуживания и ремонта оборудова- Не менее -

ния в производственных помещениях 1,5

12. Вестибюли, фойе, коридоры, лестницы (с от-

носящимися к ним проходами), примыкающие к по-

мещениям, указанным в позициях:

а) 1, 2 и 3 3,0

б) 4, 5, 6 и 11 4,0

в) 7 5,0

13. Перроны вокзалов 4,0

14. Помещения для скота:

мелкого Не менее Не менее

2,0

крупного Не менее Не менее

5,0

Коэффициенты надежности по нагрузке у/ для равномерно распределенных нагрузок следует принимать:

1,3 - при полном нормативном значении менее 2,0 кПа (200 кгс/м2); 1,2 - при полном нормативном значении 2,0 кПа (200 кгс/м2) и более. Несколько лет назад, после известной аварии в аквапарке после сильного снегопада, были внесены изменения в [2] и вместо нормативной снеговой нагрузки осталась только расчетная снеговая нагрузка, которая для Москвы, например, принимается равной 1,8 кПа (180 кгс/см2).

Представленные сведения даны для того, чтобы понять, что реальные расчеты проводить не так просто. А еще существуют коэффициенты сочетаний нагрузок, о которых мы не будем говорить в настоящей статье.

После вычисления расчетных нагрузок производится определение внутренних сил (продольной и поперечных сил; изгибающих и крутящих моментов).

Не надо также забывать, что в соответствии со СНиП 2.01.07-85 [2, прил. 7] найденные внутренние силы следует умножать еще на один коэффициент уп - коэффициент надежности по назначению. Для учета ответственности зданий и сооружений, характеризуемой экономическими, социальными и экологическими последствиями их отказов, устанавливаются три уровня: I - повышенный, II - нормальный, III - пониженный. Повышенный уровень ответственности (I) следует принимать для зданий и сооружений, отказы которых могут привести к тяжелым экономическим, социальным и экологическим последствиям. Нормальный уровень ответственности следует принимать для зданий и сооружений массового строительства. Пониженный уровень ответственности следует принимать для сооружения сезонного или вспомогательного назначения. Так, например, если здание относится к I уровню ответственности, то найденные внутренние силы умножаются на уп = 1,2, т.е. предполагается возможное увеличение внутренних сил в 1,2 раза.

Рассмотрим только условия прочности при растяжении и сжатии, взятые из различных СНиПов. В соответствии с нормами расчета стальных конструкций [3] расчет на прочность элементов, подверженных центральному растяжению или сжатию силой N следует выполнять по формуле

N

А

± —у г С

п

Здесь: Ап- площадь сечения нетто (т.е. с учетом вырезов, отверстий и др.); ус - коэффициент условий работы; —у - расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по пределу текучести.

Расчетное сопротивление —у получается делением нормативного сопротивления

—уп на коэффициент надежности по материалу ут

—

—у = .

г

т

Нормативное сопротивление —уп принимается равным пределу текучести стали стт. Значения коэффициентов надежности по материалу ут проката, гнутых профилей и труб следует принимать по п. 3.2* табл. 2* [3]. Значение ут изменяется от 1,025 до 1,1. Расчетные сопротивления при растяжении, сжатии и изгибе листового, широкополосного универсального и фасонного проката приведены в таблице 51*, труб - в таблице 51,а [3]. Из таблицы 51* следует, что величины нормативного и расчетного сопротивлений, вводимые в расчет, зависят не только от марки стали, но и от толщины проката.

Приведем в качестве иллюстрации, в сокращенном виде, в табл. 3 данные табл. 51* СНиП [3].

В этой таблице: —и - расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по временному сопротивлению; —ип - временное сопротивление стали разрыву, принимаемое равным минимальному значению ств по государственным стандартам и техническим условиям.

Коэффициенты условий работы ус принимаются по табл. 6*, а также по приложению 4* [3]. В табл. 4 приведены, с некоторой правкой, данные табл. 6* [3].

4/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

Таблица 3

Нормативное сопротивление, Расчетное сопротивление,

Толщина МПа, п роката МПа, п] зоката

л проката, листового, листового, ши-

н и мм широкополос- фасонного рокополосного фасонного

ного универ- универсального

сального

ЯУП Яип Яуп Яип Яу Яи Яу Яи

С235 От 2 до 20 235 360 235 360 230 350 230 350

Св. 20 до 40 225 360 225 360 220 350 220 350

Св. 40 до 215 360 - - 210 350 - -

100 195 360 - - 190 350 - -

Св. 100

С245 От 2 до 20 245 370 245 370 240 360 240 360

Св. 20 до 30 - - 235 370 - - 230 360

С255 От 2 до 3,9 255 380 - - 250 370 - -

От 4 до 10 245 380 255 380 240 370 250 370

Св. 10 до 20 245 370 245 370 240 360 240 360

Св. 20 до 40 235 370 235 370 230 360 230 360

Таблица 4

Элементы конструкций Коэффициенты условий работы ус

1. Сплошные балки и сжатые элементы ферм перекрытий под залами театров, клубов, кинотеатров, под трибунами, под помещениями магазинов, книгохранилищ и архивов и т. п. при весе перекрытий, равном или большем временной нагрузки 0,9

2. Колонны общественных зданий и опор водонапорных башен 0,95

3. Сжатые основные элементы (кроме опорных) решетки составного таврового сечения из уголков сварных ферм покрытий и перекрытий (например, стропильных и аналогичных им ферм) при гибкости Х> 60 0,8

4. Сплошные балки при расчетах на общую устойчивость при Фь < 1,0 0,95

5. Затяжки, тяги, оттяжки, подвески, выполненные из прокатной стали 0,9

6. Элементы стержневых конструкций покрытий и перекрытий: а) сжатые (за исключением замкнутых трубчатых сечений) при расчетах на устойчивость б) растянутых в сварных конструкциях в) растянутые, сжатые, а также стыковые накладки в болтовых конструкциях (кроме конструкций на высокопрочных болтах) из стали с пределом текучести до 440 МПа (4500 кгс/см2), несущих статическую нагрузку, при расчетах на прочность 0,95 0,95 1,05

7. Сплошные составные балки, колонны, а также стыковые накладки из стали с пределом текучести до 440 МПа (4500 кгс/см2), несущие статическую нагрузку и выполненные с помощью болтовых соединений (кроме соединений на высокопрочных болтах), при расчетах на прочность 1,1

8. Сечения прокатных и сварных элементов, а также накладок из стали с пределом текучести до 440 МПа (4500 кгс/см2) в местах стыков, выполненных на болтах (кроме стыков на высокопрочных болтах), несущих статическую нагрузку, при расчетах на прочность: а) сплошных балок и колонн б) стержневых конструкций и перекрытий 1,1 1,05

9. Сжатые элементы решетки пространственных решетчатых конструкций из одиночных равнополочных (прикрепляемых большей полкой) уголков: а) прикрепляемые непосредственно к поясам одной полкой сварными швами либо двумя болтами и более, поставленными вдоль уголка: раскосы по рис. 9*, а [3] распорки по рис. 9*, б, в [3] раскосы по рис. 9*, в, г, д [3] б) прикрепляемые непосредственно к поясам одной полкой, одним болтом (кроме указанных в поз. 9, в настоящей таблицы), а также прикрепляемые через фасонку независимо от вида соединения в) при сложной перекрестной решетке с одноболтовыми соединениями по рис. 9*, е [3] 0,9 0,9 0,8 0,75 0,7

10. Сжатые элементы из одиночных уголков, прикрепляемые одной полкой (для неравнополочных уголков только меньшей полкой), за исключением элементов конструкций, указанных в поз. 9 настоящей таблицы, раскосов по рис. 9*, б[3], прикрепляемых непосредственно к поясам сварными швами либо двумя болтами и более, поставленными вдоль уголка, и плоских ферм из одиночных уголков 0,75

11. Опорные плиты из стали с пределом текучести до 285 МПа (2900 кгс/см2), несущие статическую нагрузку, толщиной, мм: а) до 40 б) свыше 40 до 60 в) свыше 60 до 80 1,2 1,15 1,1

Подобным образом записывается условие прочности при растяжении и сжатии для алюминиевых конструкций [4]

N

— ± * Ус

Ап

4./2011 ВЕСТНИК _4/20|Т_МГСУ

Значение расчетного сопротивления алюминия Я следует принимать равным меньшему из значений расчетного сопротивления алюминия Я растяжению, сжатию, изгибу по условному пределу текучести Яу и расчетного сопротивления алюминия растяжению, сжатию, изгибу по временному сопротивлению Яи. При этом Яу = Яуп/ут; Яи=Яип /ут уи. Здесь Яуп - нормативное сопротивление алюминия, принимаемое равным значению условного предела текучести ст0,2 по государственным стандартам и техническим условиям на алюминий; Яип - нормативное сопротивление алюминия разрыву, принимаемое равным минимальному значению временного сопротивления ств по государственным стандартам и техническим условиям на алюминий; ут = 1,1, уи = 1,45.

При расчете элементов и соединений алюминиевых конструкций следует учитывать коэффициенты условий работы ус, принимаемые по табл. 15 [4]. В табл. 5, в качестве справочного материала приведены величины коэффициентов условий работы для конструкций из алюминия.

Таблица 5

Элементы конструкций Коэффициент ус

1. Корпуса и днища резервуаров 0,8

2. Колонны жилых и общественных зданий и опор водонапорных башен 0,9

3. Сжатые элементы решетки плоских ферм при гибкости: Х< 50 50 0,9 0,75

4. Сжатые раскосы пространственных решетчатых конструкций из одиночных уголков, прикрепляемых к поясам одной полкой: а) сварными швами или двумя заклепками (болтами) и более, поставленными вдоль уголка б) одним болтом 0,75 0.6

5. Сжатые элементы из одиночных уголков, прикрепляемые одной полкой (для неравнополочных уголков - только узкой полкой), за исключением элементов конструкций, указанных в поз. 4 настоящей таблицы, и плоских ферм из одиночных уголков 0.6

Условие прочности при растяжении и сжатии деревянных элементов конструкций [5] записывается следующим образом.

N

< ЯР,

где: N - расчетная продольная сила; Яр - расчетное сопротивление древесины растяжению вдоль волокон; - площадь поперечного сечения элемента нетто (заметим, что она обозначается другой буквой, чем в предыдущих условиях прочности) .

СНиП 11-25-80 [5] дает в табл. 3 расчетные сопротивления Я только для сосны и ели. Для получения расчетных сопротивлений для других пород дерева нужно умножить данные табл. 3 на коэффициенты тп, приведенные в табл. 4 [5].

С учетом условий работы и характера эксплуатации конструкции из дерева, расчетное сопротивление древесины может быть определено по формуле

Яр=Я-тп-тв-тн-т6-тсл-тгн,

где: Я — расчетное сопротивление древесины сосны и ели; тп - переходный коэффициент на породу древесины; тв - коэффициент, зависящий от температурно-влажностного режима; тн - коэффициент условий работы при воздействии кратковременных нагрузок; тб - коэффициент, учитывающий высоту деревянного элемента; тсл - коэффициент, учитывающий толщину склеиваемых досок; тгн - коэффициент, учитывающий влияние гнутья (для клееной древесины).

Исходя из представленных в настоящей статье сведений, можно сделать несколько выводов.

1. Само назначение величины расчетного сопротивления не является простым делом. Его величина зависит не только от материала, но и от самой конструкции (в том числе, и от соотношения геометрических размеров элемента).

2. Коэффициенты надежности по нагрузке уу могут быть определены по одному СНиП 2.01.07-85 [2] для конструкций из всех строительных материалов.

3. Коэффициенты условий работы ус для конструкций из разных материалов определяются только по нормативным документам, соответствующим этим материалам [2]-[5]. Эти документы являются основой специальных предметов (металлические конструкции, железобетонные конструкции и др.), которые изучаются студентами старших курсов. Техническая механика изучается раньше.

4. Если уж говорить о полном соответствии расчетов нормативным документам, необходимо учитывать коэффициент надежности по назначению, сочетание нагрузок и другие расчетные параметры, которые зачастую становятся очевидны только при изучении дополнительной документации, ведомственных норм, инструкций или пособий по расчету строительных конструкций.

Подводя итоги, можно сказать, что в курсе технической механики для строителей достаточно сложно учесть в полной мере требования, предъявляемые строительными нормами к расчетам на прочность элементов сооружений из различных материалов, тем более, что они постоянно пересматриваются и обновляются и даже озвучивается тенденция перехода на европейские нормы (в настоящем докладе автор не касался этих изменений и последних вариантов современной нормативной базы, так как это не входило в его задачу). Выработать единый подход к расчету конструкций из разных материалов с учетом нормативной базы строительства просто не реально. Поэтому, прослушав курс технической механики, студент, к сожалению, еще не способен проводить практические расчеты для реальных строительных конструкций. Очевидно, такая задача в курсе предмета и не должна ставиться.

К этому следует добавить, что изучение различных коэффициентов отвлекает студентов от смысла предмета. На взгляд автора, в условиях типовых задач по технической механике нагрузки можно считать расчетными, т.е. уже умноженными на коэффициент надежности по нагрузке. Коэффициент условий работы можно принять равным единице. Тогда условие прочности для любых материалов будет записано в

4/2011 ВЕСТНИК _4/20|Т_МГСУ

виде а < где а - нормальное напряжение, ^ - расчетное сопротивление. Это позволит студенту сконцентрироваться на физическом смысле этого неравенства, что является более важным, чем учет коэффициентов, которые будут подробно изучаться в специальных дисциплинах на старших курсах.

Литература

1. ГОСТ 27751-88. Надежность строительных конструкций и оснований.

2. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия.

3. СНиП II-23-81. Стальные конструкции.

4. СНиП 2.03.06-85. Алюминиевые конструкции.

5. СНиП II-25-80. Деревянные конструкции.

The literature

1. GOST 27751-88. Reliability of building structures and grounds.

2. SNIP 2.01.07-85. Loads and impacts.

3. SNIP II-23-81. Steel Structures

4. SNIP 2.03.06-85. Aluminum Structures.

5. SNIP II-25-80. Wooden structures.

Ключевые слова: строительные нормы и правила, условия прочности, техническая механика, особенности преподавания

Key words: building codes, the conditions of strength, technical mechanics, features of teaching

129337, Москва, Ярославское ш., 26, МГСУ, тел. 8-905-556-28-20,

e-mail: alexglebov@bk.ru

Рецензент: Иванов-Дятлов Владимир Иванович, доцент кафедры строительной механики МАДИ, кандидат технических наук