Введение

Метод проектирования в строительной механике (LSD), также известный как метод проектирования с коэффициентами надежности по нагрузке и сопротивлению (LRFD), – это метод проектирования, используемый в строительной механике. Предельное состояние – это состояние конструкции, при котором она перестает соответствовать установленным требованиям по проектированию. Это состояние может быть связано со степенью воздействия нагрузок или других воздействий на конструкцию, а требования – с прочностью, эксплуатационной пригодностью, долговечностью или другими проектными характеристиками. Конструкция, спроектированная с применением LSD, рассчитывается на восприятие всех возможных воздействий в течение расчетного срока службы и сохранение работоспособности с соответствующим уровнем надежности для каждого предельного состояния. Строительные нормы и правила, основанные на LSD, неявно определяют необходимые уровни надежности своими предписаниями. Метод проектирования по предельным состояниям, разработанный в СССР на основе исследований под руководством профессора Н. С. Стрелецкого, был введен в строительные нормы СССР в 1955 году.

Критерии

Расчет по предельным состояниям требует, чтобы конструкция удовлетворяла двум основным критериям: предельному состоянию по прочности (ULS) и предельному состоянию по эксплуатации (SLS). Любой процесс проектирования включает в себя ряд допущений. Необходимо оценить нагрузки, которым будет подвержена конструкция, выбрать размеры элементов для проверки и определить критерии проектирования. Все инженерные критерии проектирования преследуют общую цель: обеспечение безопасности и функциональности конструкции.

Конечное предельное состояние (ULS)

Четко различают конечное состояние (US) и предел прочности (ULS). Конечное состояние – это физическая ситуация, включающая либо чрезмерные деформации, ведущие к обрушению рассматриваемого элемента или всей конструкции, либо деформации, превышающие заранее оговоренные значения. Это, безусловно, подразумевает значительное неэластичное (пластичное) поведение конструктивной схемы и остаточные деформации. В отличие от этого, предел прочности (ULS) – это не физическая ситуация, а согласованное расчетное условие, которое необходимо выполнить, наряду с другими критериями, для соответствия требованиям к прочности и устойчивости при расчетных нагрузках. Конструкция считается удовлетворяющей критерию предела прочности, если все расчетные изгибающие, срезающие моменты, а также растягивающие или сжимающие напряжения не превышают расчетных сопротивлений, определенных для рассматриваемого сечения. Расчетные напряжения определяются путем применения коэффициентов усиления к нагрузкам на сечение. Коэффициенты снижения применяются для определения расчетных сопротивлений сечения. Критерии предела прочности также могут быть заданы через нагрузку, а не напряжение: при таком подходе анализируемый конструктивный элемент (например, балка, колонна или другие несущие элементы, такие как стены) считается безопасным, когда "усиленные" нагрузки меньше соответствующих "сниженных" сопротивлений. Соблюдение критериев проектирования по пределу прочности (ULS) рассматривается как минимальное требование (наряду с другими дополнительными требованиями) для обеспечения необходимой конструктивной безопасности.

Предельное состояние эксплуатационной пригодности (SLS)

В дополнение к проверке ULS, упомянутой выше, необходимо выполнить расчетную проверку предельного состояния по эксплуатации (SLS). Для соответствия критерию предельного состояния по эксплуатации конструкция должна сохранять функциональность по своему назначению при нормативных (повседневных) нагрузках и, следовательно, не должна вызывать дискомфорт пользователей в обычных условиях. Как и в случае ULS, SLS не является физическим состоянием, а представляет собой расчетную проверку. Цель состоит в том, чтобы доказать, что под воздействием расчетных нагрузок (без учета коэффициентов), и/или при приложении определенных (без учета коэффициентов) значений наложенных деформаций, осадок, вибраций или температурных градиентов и т.п., поведение конструкции соответствует и не превышает предельные значения критериев проектирования SLS, установленные в соответствующем действующем стандарте. Эти критерии включают различные пределы напряжений, пределы деформаций (прогибы, повороты и кривизна), пределы гибкости (или жесткости), пределы динамического поведения, а также требования к контролю трещин (ширина раскрытия трещин) и другие требования, касающиеся долговечности конструкции, ее уровня эксплуатационной пригодности и комфорта для людей, а также ее способности выполнять свои повседневные функции. В связи с неструктурными аспектами, это может также включать пределы, применяемые к акустике и теплопередаче, которые также могут влиять на конструктивные решения. Данная расчетная проверка выполняется в точке, расположенной в нижней половине упругой ветви, где прикладываются расчетные воздействия (без учета коэффициентов), и поведение конструкции является чисто упругим.

Развитие факторов

Факторы нагрузки и сопротивления определяются с использованием статистики и заранее заданной вероятности разрушения. Изменчивость качества строительства и однородность строительных материалов учитываются при определении этих факторов. Обычно к сопротивлениям материалов применяется коэффициент, равный единице (одному) или меньше, а к нагрузкам – коэффициент, равный единице или больше. Хотя это встречается нечасто, в некоторых случаях нагрузки коэффициент может быть меньше единицы из-за сниженной вероятности совместного действия нагрузок. Эти факторы могут существенно различаться для разных материалов и даже для разных марок одного и того же материала. Дерево и каменная кладка обычно имеют меньшие коэффициенты, чем бетон, который, в свою очередь, имеет меньшие коэффициенты, чем сталь. Коэффициенты, применяемые к сопротивлению, также учитывают степень научной обоснованности полученных значений – то есть, меньшие значения используются, когда недостаточно исследований конкретного типа разрушения. Факторы, связанные с нагрузками, как правило, не зависят от типа используемого материала, но могут зависеть от типа конструкции. При определении конкретных значений факторов, более определенным нагрузкам (например, постоянным нагрузкам, весу конструкции и постоянным элементам, таким как стены, напольные покрытия, отделка потолка) присваиваются меньшие коэффициенты (например, 1,4), чем сильно переменным нагрузкам, таким как сейсмические, ветровые или полезные (эксплуатационные) нагрузки (1,6). Ударные нагрузки обычно имеют еще более высокие коэффициенты (например, 2,0) для учета как их непредсказуемой величины, так и динамического характера нагрузки по сравнению со статической природой большинства моделей. Хотя, возможно, с философской точки зрения этот подход не превосходит расчет по допускаемым напряжениям, он позволяет проектировать более согласованные конструкции, поскольку каждый элемент должен иметь одинаковую вероятность разрушения. На практике это обычно приводит к более экономичной конструкции, и поэтому можно утверждать, что расчет по факторам нагрузки и сопротивления превосходит расчет по допускаемым напряжениям с практической инженерной точки зрения.

В Европе

В Европе проектирование по предельным состояниям нормируется Еврокодами.