Расчет сочетаний нагрузок для различных предельных состояний согласно СП 20.13330.2016

МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА СОЧЕТАНИЙ НАГРУЗОК (КЛИКНИТЕ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ)

1. Введение: Суть предельных состояний и необходимость сочетаний нагрузок

При проектировании любых строительных объектов главной задачей является обеспечение их безопасности и пригодности к нормальной эксплуатации. В реальной жизни здание никогда не подвергается воздействию только одной изолированной силы: ветер, снег, вес людей, технологического оборудования и самих строительных конструкций действуют на объект совместно. Однако вероятность того, что в одну секунду ветер достигнет ураганной силы, выпадет исторический максимум снежного покрова, а все помещения будут заполнены тяжелым оборудованием до предела, крайне мала.

Именно поэтому расчет конструкций и оснований по предельным состояниям 1-й и 2-й групп следует выполнять с учетом неблагоприятных сочетаний нагрузок (или соответствующих им усилий). Эти сочетания устанавливаются из анализа реальных вариантов одновременного действия различных сил.

2. Классификация нагрузок по продолжительности действия

Прежде чем составлять комбинации, все нагрузки необходимо строго классифицировать в зависимости от продолжительности их действия:

• Постоянные (Pd): вес частей сооружений, несущих и ограждающих конструкций, давление грунтов, а также гидростатическое давление.
• Длительные (Pl): вес стационарного оборудования (аппаратов, станков, конвейеров), вес временных перегородок, нагрузки на перекрытия складов и архивов от стеллажей и материалов, а также давление жидкостей и газов в емкостях.
• Кратковременные (Pt): климатические воздействия (снеговые, ветровые, температурные, гололедные), нагрузки от подвижного подъемно-транспортного оборудования, вес людей и животных.
• Особые (Ps): сейсмические и взрывные воздействия, нагрузки, обусловленные пожаром, авариями оборудования, столкновениями транспортных средств с сооружениями или деформациями основания, сопровождающимися коренным изменением структуры грунта.

3. Виды сочетаний нагрузок

В зависимости от учитываемого состава нагрузок выделяют два типа сочетаний:

3.1. Основные сочетания нагрузок

Они моделируют «повседневные» экстремальные условия работы здания и состоят из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок. Расчетная формула основного сочетания (Cm) выглядит так:

Здесь ψl и ψt — это коэффициенты сочетаний, учитывающие уменьшение вероятности одновременного достижения несколькими нагрузками их расчетных максимумов.

3.2. Особые сочетания нагрузок

Они моделируют аварийные или катастрофические ситуации. Особые сочетания (Cs) состоят из постоянных, длительных, кратковременных нагрузок и строго одной из особых нагрузок.

4. Как применяются коэффициенты сочетаний (ψ)

Правильный выбор коэффициента сочетания определяет надежность итогового расчетного загружения.

Для длительных нагрузок (Pl) в основных и особых сочетаниях:

• ψl,1 = 1,0 — для основной (по степени влияния) длительной нагрузки.
• ψl,i = 0,95 — для всех остальных (второй, третьей и т.д.) длительных нагрузок.

Для кратковременных нагрузок (Pt) в основных сочетаниях:

• ψt,1 = 1,0 — для основной кратковременной нагрузки.
• ψt,2 = 0,9 — для второй по степени влияния кратковременной нагрузки.
• ψt,i = 0,7 — для остальных кратковременных нагрузок.

Для кратковременных нагрузок (Pt) в особых сочетаниях: При возникновении особой ситуации (например, землетрясения или взрыва) вероятность совпадения с максимумами кратковременных сил крайне мала. Поэтому для особых сочетаний применяются единые пониженные коэффициенты для кратковременных нагрузок:

• ψt,1 = ψt,i = 0,8.

5. Отличия расчета сочетаний для разных групп предельных состояний

Важнейший нюанс заключается в том, как формируется расчетное значение конкретной нагрузки перед тем, как оно войдет в сочетание. Расчетное значение нагрузки следует определять как произведение ее нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке (γf), который зависит от рассматриваемого предельного состояния.

• При расчете по предельным состояниям 1-й группы (ПС 1 - прочность, устойчивость): Для недопущения разрушений минимальные значения коэффициента надежности γf назначаются по специальным таблицам (как правило, γf > 1, чтобы создать запас прочности). Например, для веса металлических конструкций коэффициент надежности составляет 1,05, а для железобетонных — 1,1. В сочетания для ПС 1 входят именно эти увеличенные, расчетные значения.

• При расчете по предельным состояниям 2-й группы (ПС 2 - прогибы, трещины): При оценке эксплуатационных свойств (жесткости конструкции) коэффициенты надежности по нагрузке принимаются равными единице (γf = 1,0), если в нормах проектирования не установлены другие значения. Это означает, что сочетания для ПС 2 формируются из чистых нормативных нагрузок, скорректированных только на коэффициенты сочетаний ψ.

6. Особые правила группировки и снижения нагрузок

Следует помнить о дополнительных правилах составления сочетаний:

1. Один источник — одна нагрузка: При учете сочетаний за одну временную нагрузку следует принимать нагрузку от одного источника (например, снеговую, ветровую, или гололедную нагрузку). Нагрузки от нескольких источников можно считать совместно (например, складируемые материалы и люди), но с учетом собственных корректирующих коэффициентов.
2. Снижение нагрузок на грузовые площади: При расчете плит, балок или колонн, воспринимающих нагрузки с грузовой площади A, нормативные значения кратковременных нагрузок от людей или материалов разрешается снижать путем умножения на коэффициенты φ1 или φ2 (если площадь превышает 9 м² или 36 м² в зависимости от типа помещений).
3. Снижение в многоэтажных зданиях: При расчете колонн, стен и фундаментов, воспринимающих нагрузки от двух и более перекрытий, полные нормативные значения нагрузок допускается дополнительно снижать (коэффициенты φ3 или φ4), так как вероятность максимального загружения всех этажей одновременно крайне мала.