Výpočet konstrukcí: stanovení pevnosti a stability

Design je mimořádně důležitou fází při výstavbě budovy nebo stavby. Právě v této fázi se určuje spolehlivost konstrukčních prvků a jejich trvanlivost. Chyby návrhu mohou způsobit kritické závady a zabránit normálnímu provozu zařízení. To plně platí pro návrh betonových podlah.

Bohužel mnoho projektantů mylně nerozlišuje podlahy jako zvláštní typ konstrukce a uplatňuje k nim stejné přístupy jako k základům či jiným betonovým prvkům. V důsledku toho může být betonová podlahová deska navržena buď s nadměrnou rezervou bezpečnosti (to znamená, že může být nepřiměřeně drahá a náročná na materiál), nebo naopak není dostatečně spolehlivá. A přestože podlahy nepatří do kategorie kritických konstrukcí, jejich pevnostní charakteristiky jsou důležité pro bezpečný a efektivní provoz staveniště v budoucnu.

Zvláště důležité je v tomto ohledu určení rázů a zatížení, kterým bude betonová podlaha vystavena. Charakter dopadů ovlivní především výběr podlahové krytiny a tato problematika si zaslouží samostatnou úvahu. S určováním zatížení však vyvstává řada kontroverzních otázek a potíže často nastávají i pro zkušené projektanty.

Rovnoměrně rozložené zatížení

Nejčastější chybou při navrhování podlah je brát jako výchozí bod rovnoměrně rozložené zatížení. Tato charakteristika se vyjadřuje v newtonech nebo kilogramech na metr čtvereční, stejně jako v pascalech. Tato hodnota je obvykle zahrnuta do výpočtů podlahových desek nebo se používá při navrhování základů budov, ale v případě podlah by se měla používat opatrně. Přísně vzato, rozložené zatížení je zatížení předměty přímo ležícími na podlaze, například plechy nebo překližky, sypké materiály skladované volně ložené. V obecnějším případě se za takové zatížení považují i ​​předměty na podlaze, které zabírají významnou plochu a mají velký počet kontaktních zón s podlahami. Příkladem posledně jmenovaného jsou palety uložené na podlaze skladu, do rovnoměrně rozloženého nákladu se započítávají i chodci.

Často se však setkáváme s případy, kdy je u skladu s regálovým skladováním specifikováno zatížení v podobě MPa/m2. Jde o nesprávný přístup, kdy inženýr vydělí součet všech skladových nebo výrobních zatížení plochou. Někdy nastávají případy, kdy se vezme nosnost regálu a vydělí se plochou, kterou zabírá. Výpočty provedené na těchto počátečních datech budou pravděpodobně zásadně nesprávné.

Koncentrovaná zátěž

Faktem je, že v případě regálového skladování nedochází k rozloženému zatížení, ale k soustředěnému (neboli bodovému) zatížení. Zboží je umístěno na vícepatrových regálech, které mají zase malou plochu spočívající na podlaze. To vytváří velmi vážné namáhání podlahových desek.

Jak správně vypočítat koncentrovanou zátěž?

Za hodnotu soustředěného zatížení se považuje tlak pod dvojitou patou regálu. Dvojitá podpěra je umístěna mezi sekcemi regálu a nese dvojnásobné zatížení než koncové podpěry. Chcete-li správně vypočítat zatížení, musíte vzít celkovou jmenovitou kapacitu všech úrovní regálu, kromě podlahového, a vydělit dvěma. Podívejme se na příklad: existuje regál s pěti patry (nebere se v úvahu patro podlahy), z nichž každý pojme 3 palety o hmotnosti 1.200 XNUMX kg:
5 x 3 x 1,2 = 18 tun
To znamená, že každá sekce skladuje až 18 tun nákladu.

Tato hmotnost je rozdělena mezi čtyři podpěry, ale podpěry mezi sekcemi přijímají zatížení z obou stran najednou. Zatížení každé podpěry tedy bude 9 tun (viz obrázek).

Při přenosu dat konstruktérovi byste měli uvést také velikost paty stojanu, protože pata o rozměrech 110×110 mm vytváří při stejném zatížení téměř dvojnásobný tlak na podlahy než pata 150×150 mm.

Velký vliv má také vzdálenost mezi sousedními řadami regálů.

Stejný přístup ke stanovení zatížení se používá ve vztahu k výrobnímu zařízení, pokud je instalováno přímo na podlahy. Hmotnost strojů a výrobních linek je rozložena mezi sloupky a podpěry, a proto představuje koncentrované zatížení.

V případě skladování ve výškách může zatížení jedné podpěry dosáhnout 10-12 tun. V takových situacích je přípustné použít redukční faktor, který zohledňuje míru obsazenosti skladu.

Jiné druhy zátěží

Pro účely návrhu je také obvyklé rozlišovat jiné typy zatížení na podlahách.

Kolové zatížení – vzniká tím, že vozidla najíždějí na podlahy a pohybují se po nich. Pro správnou specifikaci těchto zatížení je nutné znát rozložení hmotnosti mezi nápravy vozidla a velikost styčné plochy kola s povrchem. Důležité je také vědět, zda jsou kola spárovaná a jaká je mezi nimi vzdálenost ve všech směrech. Přestože je tento typ zatížení podobný bodovým zatížením, mají charakteristickou vlastnost – dynamiku. To znamená, že při pohybu dochází ke zvýšení síly působící na podlahy, což by se mělo projevit v konstrukčních výpočtech.

Lineární zatížení

Některé typy systémů skladování nákladu mají podlouhlé a úzké podpěry, což umožňuje, aby byly považovány za lineární zatížení. V projektových specifikacích je nutné uvést geometrické parametry těchto podpěr, vzdálenosti mezi nimi a samozřejmě hmotnost zboží nebo materiálů na nich uložených. Tento typ zátěže vytvářejí i kolejnice umístěné přímo na podlaze a platí pro ně stejné přístupy.

Specifika zátěží vyskytujících se v podniku jsou neoddělitelná od pochopení technologických procesů a vlastností používaných zařízení. Pokud máte potíže s popisem zatížení na vašem webu, můžete se obrátit na Bee Wright pro radu a naši specialisté na design podlah vám pomohou.

Stanovení pevnosti a stability jak jednotlivých komponentů a prvků, tak budov nebo konstrukcí jako celku

Statistické a dynamické výpočty pomocí prostorových diagramů umožňují určit napěťově-deformační stav konstrukcí a navrhnout budovu nebo konstrukci s maximální úsporou materiálu, avšak bez ohrožení pevnosti a stability systému.

Účelem výpočtu stavebních konstrukcí je zajistit stanovené provozní podmínky a požadovanou pevnost při minimální spotřebě materiálů a minimální pracnosti výroby a montáže.
Stavební konstrukce jsou navrženy na silové a jiné rázy, které určují jejich napjatost a deformaci pomocí mezních stavů.

Mezní stavy znamenají takové stavy, ve kterých konstrukce již při práci nesplňují stanovené provozní požadavky nebo požadavky.

Při výpočtu konstrukcí na statické a dynamické zatížení a rázy, kterým mohou být vystaveny během výstavby a dané životnosti, se berou v úvahu následující mezní stavy:

• první skupina – pro ztrátu nosnosti a (nebo) úplnou nevhodnost použití konstrukcí;
• druhá skupina – kvůli obtížím při běžném provozu struktur.

Mezi mezní stavy první skupiny patří: obecná ztráta tvarové stálosti; ztráta stability pozice; ničení jakékoli povahy; přechod struktury do proměnlivého systému; kvalitativní změna v konfiguraci; podmínky, ve kterých je potřeba zastavit provoz v důsledku výtěžnosti materiálu, pohybu ve spojích, dotvarování, nepřijatelných zbytkových nebo úplných pohybů nebo nadměrného otevírání trhlin.

První skupina se podle charakteru mezních stavů dělí na dvě podskupiny: podle ztráty únosnosti (prvních pět stavů) a podle nevhodnosti použití (šestý stav) z důvodu rozvoje nepřijatelných zbytkových stavů. posuny (deformace).

Mezi mezní stavy druhé skupiny patří stavy, které brání běžnému provozu nebo snižují životnost v důsledku výskytu nepřijatelných pohybů (průhyby, sedání, úhly natočení, vibrace, trhliny).

Mezní stavy první skupiny jsou kontrolovány výpočtem na maximální (návrhové) zatížení a rázy možné při narušení běžného provozu, mezní stavy druhé skupiny jsou kontrolovány na provozní (normativní) zatížení a rázy, které odpovídají normální provoz konstrukcí.

Spolehlivost a záruka proti vzniku mezních stavů konstrukce je zajištěna řádným zvážením možných nejnepříznivějších vlastností materiálů; přetížení a nejnepříznivější (ale reálně možná) kombinace zatížení a nárazů; podmínky a vlastnosti skutečného provozu konstrukcí a základů; správný výběr výpočtových schémat a výpočtových předpokladů, v případě potřeby zohledňující plastické a reologické vlastnosti materiálů.

Zatížení a nárazy

Během provozu jsou konstrukce vystaveny různým zatížením a vlivům.

Provoz konstrukce, a tedy vlastnosti jejího výpočtu, do značné míry závisí na povaze, povaze a trvání dopadů. Při explozi by se tedy měl brát v úvahu vliv rychlosti zatěžování na vlastnosti materiálu; při vystavení nízkým teplotám – zvýšené riziko křehkého lomu; při delší expozici – tečení materiálu.

Klasifikace zatížení a rázů. Podle povahy se zatížení a dopady dělí na:

• zatížení od vlastní hmotnosti konstrukcí;
• technologická zatížení (hmotnost zařízení, skladovaných materiálů, osob, tlak kapalin, plynů, sypkých materiálů);
• atmosférické zatížení (sníh, vítr, led);
• teplotní (technologické a klimatické) vlivy;
• instalační zatížení;
• seismické a výbušné dopady;
• havarijní zátěže vzniklé náhlým přerušením technologického procesu, poruchami zařízení nebo přetržením drátů elektrického vedení

Všechna tato zatížení a rázy způsobují síly a pohyby v konstrukcích a lze je klasifikovat jako přímé rázy. Kromě nich mohou být struktury ovlivněny biologickými (hnití), chemickými (koroze), radiací a dalšími vlivy. Tyto dopady vedou ke změnám vlastností materiálu (snížení rázové houževnatosti při radiační zátěži), mění provozní parametry prvků (snižování tloušťky prvků, zvyšování koncentrace napětí při korozi) a v konečném důsledku ovlivňují únosnost a životnost prvků. struktur. Takové vlivy se nazývají nepřímé.

Povahou dopadu budeme rozumět rychlosti a četnosti aplikace zatížení. Na základě tohoto kritéria se zatížení dělí na statická, dynamická a proměnná, opakovaná.

U statického zatížení je rychlost zatížení nulová nebo tak malá, že jimi způsobené setrvačné síly lze při výpočtu ignorovat a použít metody statiky konstrukcí.

Při dynamických zatíženích je rychlost zatěžování vysoká a při výpočtu konstrukcí je třeba zohlednit jimi způsobené setrvačné síly. V těchto případech se používají metody strukturní dynamiky. Návrhové normy pro ocelové konstrukce umožňují zohlednit vliv dynamické povahy zatížení vynásobením statického zatížení dynamickým součinitelem stanoveným na základě teoretických nebo experimentálních studií.

Při vystavení proměnlivým, opakovaným zatížením může dojít k únavovému porušení konstrukcí. V tomto případě musí být konstrukce testovány na odolnost.

Podle doby působení se zátěže dělí na trvalé a dočasné. Dočasná zatížení se zase dělí na dlouhodobá, krátkodobá a speciální.

Konstantní zatížení jsou ta, která působí na konstrukci neustále: vlastní tíha stavebních konstrukcí, tlak libra, vliv předpínacích konstrukcí

Dlouhodobá zatížení jsou taková, která působí na konstrukci dlouhodobě (ale mohou i chybět): hmotnost technologického zařízení, hmotnost skladovaného nákladu, tlak kapalin a plynů v nádržích a potrubí.

Krátkodobá zatížení jsou zatížení, která působí krátkodobě: sníh, vítr, jedoucí jeřáby, zatížení vznikající při přepravě, montáži, opravách a zkoušení konstrukcí, teplotní a klimatické vlivy.

Zvláštní zatížení jsou zatížení, která se mohou objevit ve výjimečných případech: seismické nárazy, havarijní narušení technologického procesu, náhlé sedání zeminy.

Standardní a návrhové zatížení. Všechna zatížení jsou do té či oné míry náhodná a lze je matematicky popsat jako náhodné veličiny (například vlastní hmotnost konstrukcí) nebo náhodné funkce času (například vítr). Při výpočtu konstrukcí na základě mezních stavů však akceptujeme deterministické hodnoty zatížení. Proto, aby byla zajištěna požadovaná úroveň spolehlivosti při výpočtu konstrukcí pro první skupinu mezních stavů, měly by být brány maximální hodnoty zatížení s vysokým stupněm zabezpečení. Při výpočtu podle druhé skupiny mezních stavů může být za běžných provozních podmínek zabezpečení nižší.

Základní ustanovení pro výpočet stanoví dvě hodnoty zatížení: standardní a návrhové.

Zátěže, které splňují normální provozní podmínky, se nazývají standardní. Jejich hodnota je stanovena v konstrukčních normách, specifikována v technických specifikacích nebo stanovena na základě návrhových hodnot geometrických parametrů zařízení nebo konstrukcí.

Případná odchylka zatížení v nepříznivém směru (více či méně) od jejich standardních hodnot, jak z důvodu přirozené variability zatížení, tak i odchylek od běžných provozních podmínek, je zohledněna součinitelem spolehlivosti zatížení γƒ. Hodnota tohoto koeficientu závisí na charakteru zatížení a míře jeho proměnlivosti. Zatížení od vlastní hmotnosti kovových konstrukcí se tedy může odchylovat od normy v dosti úzkých mezích (kvůli tolerancím rozměrů průřezu, přesnosti řezu), proto se pro toto zatížení γƒ = 1,05 pohybuje zatížení sněhem ve velmi širokých mezích koeficient spolehlivosti zatížení dosahuje 1,6.

Hodnoty koeficientů spolehlivosti při zatížení jsou stanoveny na základě statistického zpracování výsledků pozorování, experimentálních studií nebo jsou stanoveny na základě konstrukčních zkušeností.

Vynásobením standardních hodnot zatížení bezpečnostními součiniteli pro zatížení se získá i>návrhová zatížení F = Fnγƒ; q = qsub>nγƒ,

kde Fn, qn jsou standardní zátěže.

Návrhová zatížení představují největší, v pravděpodobnostním smyslu, zatížení a rázy během provozu konstrukce a mají vysokou pravděpodobnost. U většiny návrhových zatížení přesahuje bezpečnost 0,99.

Je třeba zdůraznit, že faktory spolehlivosti zatížení zohledňují pouze variabilitu zatížení a možnost jeho překročení normovaných hodnot. Nezohledňují dynamický charakter zatížení ani budoucí nárůst zatížení v čase, například při modernizaci výroby a změně zařízení. Tyto faktory jsou v případě potřeby brány v úvahu samostatně.

Kombinace zatížení. Konstrukce zpravidla nepodléhá jednomu, ale několika zatížením. Při výpočtu konstrukcí je nutné vybrat jejich nejnepříznivější kombinaci, která umožňuje získat maximální možnou sílu v každém prvku. Pravděpodobnost současného dopadu všech možných návrhových zatížení na konstrukci je však velmi malá a pokud konstrukci navrhneme na takovou kombinaci zatížení, pak bude mít nadměrné rezervy únosnosti. Proto návrhové normy stanovují dvě kategorie návrhových kombinací zatížení:

• základní kombinace sestávající z konstantního, dlouhodobého a krátkodobého zatížení;
• speciální kombinace zahrnující kromě stálých, dlouhodobých a krátkodobých zatížení i jedno ze speciálních zatížení.

Je vhodné provést výpočet pro každé zatížení zvlášť a následně určit nejnepříznivější kombinaci sil. Pokud hlavní kombinace obsahuje jedno dočasné zatížení, je akceptováno bez redukce. Pro dvě a více dočasných zatížení hlavní kombinace se násobí kombinačním součinitelem ψ, který zohledňuje nízkou pravděpodobnost společného působení návrhových hodnot. Pro dočasné dlouhodobé zatížení ψ1 = 0,95, pro krátkodobé zatížení ψ2 = 0,9. Ve speciálních kombinacích ψ1 = 0,95, ψ1 = 0,8. v tomto případě je zvláštní zatížení přijato bez snížení. Pro seismické oblasti jsou hodnoty kombinačních koeficientů stanoveny ve zvláštních normách.

Viz také Konstrukční výpočty