Понятие о прочности, жесткости и устойчивости строительных элементов и конструкций

    Понятие прочности, жесткости и устойчивости являются основными параметрами всех строительных элементов и конструкций. На этапе проектирования все расчеты выполняются исключительно в соответствии с этими параметрами. Данные параметры, предъявляемые к строительным элементам и конструкциям, необходимы также для возведения построек, которые будут безопасны как для человека, так и для других живых существ.

    Каждая конструкция находится под воздействием внешних силовых факторов. Самыми страшными из которых для человека являются землетрясения, извержение вулкана или наводнение. При приложении внешних силовых факторов к конструкции говорят о нагружении конструкции. Действия внешних нагрузок приводит к деформации, а иногда и к рушению элементов конструкции.

    Для начала стоит увидеть, что именно подразумевают под собой данные понятия.

Прочность – это способность конструкции выдерживать заданную нагрузку, не разрушаясь.

Жесткость – способность конструкции препятствовать деформации в соответствии с заданным нормативным регламентом.

Устойчивость – свойство конструкции сохранять при действии внешних сил заданную форму равновесия.

Оценка прочности конструкции выполняется по результатам сопоставления действительного состояния конструкции с предельным состоянием. Существуют два основных метода оценки прочности: расчет по допускаемым напряжениям и расчет по предельному состоянию (предельным нагрузкам). Методы отличаются критериями для определения предельного состояния.

При расчете по допускаемым напряжениям в качестве предельного принимается состояние, при котором хотя бы в одной точке элемента конструкции расчетное напряжение становиться равным предельному значению. По этому методу расчет выполняется с использованием условия прочности

Данный метод является основным и используется в большинстве случаев.

Однако для конструкций, изготовленных из пластичных материалов, более целесообразным является расчет по предельному состоянию. В этом случае в качестве предельного принимается состояние, при котором происходит исчерпание несущей способности конструкции. Это означает, что при постоянной нагрузке начинается неограниченный рост деформаций. При этом методе расчета условие прочности имеет вид  где F – действующая нагрузка; [ F ] – допускаемая нагрузка.

    Кроме расчета на прочность, в ряде случаев конструкции надо рассчитывать на жесткость, которая заключается в определении наибольших линейных и угловых деформаций поперечных сечений элементов конструкций и сравнении их с допустимыми значениями при данных условиях эксплуатации.

Эпюры внутренних силовых факторов могут быть разбиты на простые фигуры, площади которых и центры тяжести этих эпюр даны в таблице 4:

- прямоугольник (рис. 2.6.47, а) со = lh, z_UT = 1/2;

- треугольник (рис. 2.6.47, б) со = 1/2 * lh, z_UT = 2/3 • /;

- парабола (рис. 2.6.47, в) со = 1/3 * lh, z_ni = 3/4 • /;

- парабола (рис. 2.6.47, г) со = 2/3 * lh, г = 5/8 • /.

Если «грузовая» эпюра сложная, то по принципу независимости действия сил ее разбивают на простые.

Таблица 4 — Площадь и координаты центров тяжести

Устойчивость конструкции можно определить по двум важным формулам. Формулам Эйлера и Ясинского. При расчете по формуле Эйлера условие устойчивости:

F — действующая сжимающая сила;

[s_у] — допускаемый коэффици­ент запаса устойчивости.

При расчете по формуле Ясинского

где a, b — расчетные коэффициенты, зависящие от материала (величины ко­эффициентов приводятся в таблице 36.1)

В случае невыполнения условий устойчивости необходимо уве­личить площадь поперечного сечения.

Иногда необходимо определить запас устойчивости при задан­ном нагружении:

При проверке устойчивости сравнивают расчетный запас вынос­ливости с допускаемым: