Расчет элементов конструкций цельного сечения

В соответствии с действующими в России нормами деревянные конструкции должны рассчитываться по методу предельных состояний.

Предельными называются такие состояния конструкций, при которых они перестают удовлетворять заданным требованиям эксплуатации. Внешней причиной, которая приводит к предельному состоянию, является силовое воздействие (внешние нагрузки, реактивные силы). Предельные состояния могут наступать под влиянием условий работы деревянных конструкций, а также качества, размеров и свойств материалов. Расчет деревянных конструкций ведется по двум группам предельных состояний:

1) по несущей способности (прочности, устойчивости);

2) по деформациям (прогибам, перемещениям).

Первая группа предельных состояний характеризуется потерей несущей способности и полной непригодностью к дальнейшей эксплуатации. Является наиболее ответственной. В деревянных конструкциях могут возникать следующие предельные состояния первой группы: разрушение, потеря устойчивости, опрокидывание, недопустимая ползучесть. Эти предельные состояния не наступают, если выполняются условия:

σ ≤ R,

τ ≤ R_ск (или R_ср),

т.е. когда нормальные напряжения (σ) и касательные напряжения (τ) не превышают некоторой предельной величины R, называемой расчетным сопротивлением.

Вторая группа предельных состояний характеризуется такими признаками, при которых эксплуатация конструкций или сооружений хотя и затруднена, однако, полностью не исключается, т.е. конструкция становится непригодной только к нормальной эксплуатации. Пригодность конструкции к нормальной эксплуатации обычно определяется по прогибам

f ≤ [f], или

f/l ≤ [f/l].

Это означает, что изгибаемые элементы или конструкции пригодны к нормальной эксплуатации, когда наибольшая величина отношения прогиба к пролету меньше предельно допустимого относительного прогиба [f/l] (устанавливаемого СНиП 2.01.07-85^* «Нагрузки и воздействия»).

Цель расчета конструкций – не допустить наступления ни одного из возможных предельных состояний, как при транспортировке и монтаже, так и при эксплуатации конструкций. Расчет по первому предельному состоянию производится по расчетным значениям нагрузок, по второму – также по расчетным значениям нагрузок, но с коэффициентом надежности по нагрузкам равным 1, т.е. по числовым значениям равным нормативным. Нормативные значения нагрузок приведены в СНиП 2.01.07-85^*. Расчетные значения определяют как произведение нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке γ_f. Конструкции рассчитывают на неблагоприятное сочетание нагрузок (собственный вес, снег, ветер) вероятность которых учитывается коэффициентами сочетаний (по СНиП 2.01.07-85^*).

Основной характеристикой материалов, по которой оценивается их способность сопротивляться силовым воздействиям, является нормативное сопротивление R^н. Нормативное сопротивление древесины вычисляется по результатам многочисленных испытаний малых образцов чистой (без пороков) древесины одной породы, влажностью 12%:

R^н= ,

где – среднее арифметическое значение предела прочности,

V – вариационный коэффициент,

t – показатель достоверности.

Нормативное сопротивление R^н является минимальным вероятностным пределом прочности чистой древесины, получаемым при статической обработке результатов испытаний стандартных образцов малого размера на кратковременную нагрузку.

Расчетное сопротивление R – это максимальное напряжение, которое может выдержать материал в конструкции не разрушаясь при учете всех неблагоприятных факторов в условиях эксплуатации, снижающих его прочность.

При переходе от нормативного сопротивления R^н к расчетному R необходимо учесть влияние на прочность древесины длительного действия нагрузки, пороков (сучков, наклона волокон и пр.), переход от малых стандартных образцов к элементам строительных размеров. Совместное влияние всех этих факторов учитывается коэффициентом безопасности по материалу (k). Расчетное сопротивление получают делением R^н на коэффициент безопасности по материалу:

R= R^н/k,

,

где m_дл=0,66 – коэффициент длительности при совместном действии постоянных и кратковременной снеговой нагрузок;

k_одн=0,27÷0,67 – коэффициент однородности, зависящий от вида напряженного состояния, учитывающий влияние пороков на прочность древесины.

Минимальное значение k_одн принимается при растяжении, когда влияние пороков особенно велико. Расчетные сопротивления R приведены в таблице 3 СНиП II-25-80 (для древесины сосны и ели). R древесины других пород получают с помощью коэффициентов m_п, приведенных в таблице 4 СНиП II-25-80.

Сохранность и прочность древесины и деревянных конструкций зависят от температурно-влажностных условий. Увлажнение способствует загниванию древесины, а повышенная температура (за известным пределом) снижает ее прочность. Учет этих факторов производится путем введения коэффициентов условия работы: m_в≤1, m_Т≤1.

Кроме этого согласно СНиП расчетные сопротивления необходимо умножать и на другие коэффициенты условия работы (часть из них приведена ниже):

m_сл=0,95÷1,1, для клееных элементов в зависимости от толщины слоев;

m_б<1, для балок, высотой более 50 см;

m_а=0,9, для элементов подвергнутых глубокой пропитке антипиренами под давлением;

m_гн≤1, для гнутых элементов.

Модуль упругости древесины независимо от породы принимается равным:

вдоль волокон Е=10000 МПа;

поперек волокон Е₉₀=400 МПа.

Расчетные характеристики строительной фанеры также приведены в СНиП II-25-80, причем, при проверке напряжений в элементах из фанеры, как и для древесины, вводят коэффициенты условия работы m. Кроме этого для расчетного сопротивления древесины и фанеры вводится коэффициент m_д=0,8 в случае, если суммарное расчетное усилие от постоянных и временных нагрузок превышает 80% полного расчетного усилия. Этот коэффициент вводится в дополнение к тому снижению, которое включено в коэффициент безопасности по материалу.