Методы расчета каменных конструкций

Основанные на экспериментальных исследованиях новые ме­тоды расчета каменных конструкций позволяют учитывать специфические свойства ка­менных кладок, значительно отличающихся от однородных упругих материалов, для которых действительны  формулы  «Сопротивления  материалов».

В нормах проектирования каменных конструкций при определении несущей способности сечения уже были учтены ре­зультаты экспериментальных работ б. ЦНИПС, показавших, что во многих случаях формулы сопротивления материалов не отве­чают опытам и приводят к нерациональному использованию мате­риалов в каменной кладке. Так, в нормах учитывались спе­цифические особенности каменных кладок введением поправочных коэффициентов к формулам сопротивления упругих материалов. Эти коэффициенты определялись, исходя из разрушающих нагру­зок, полученных из экспериментов. Таким образом, расчет каменных конструкций по существу производился по раз­рушающим нагрузкам, хотя вид формул соответствовал методу допускаемых напряжений, принятому в курсах «Сопротивления материалов» для расчета упругих тел. Однако значение поправоч­ных коэффициентов в ряде случаев оказывалось столь большим, что сохранение формул, построенных из расчета по допускаемым напряжениям, теряло смысл. Поэтому позднее каменные кон­струкции стали рассчитывать так же, как и бетонные и железобе­тонные конструкции, по методу разрушающих нагрузок.

Расчет элементов каменных конструкций по разрушающим на­грузкам производился путем сопоставления средних эксплуата­ционных усилий N с разрушающими усилиями N_p, найденными по экспериментальным формулам, в которых учитывались средние опытные показатели прочности кладки. Частное от деления N_p на N давало значение коэффициента запаса. Прочность считалась достаточной, если полученный таким образом коэффициент за­паса был не менее коэффициента запаса k₃, установленного нор­мами проектирования. Таким образом, требовалось соблюдение условия

k₃N ≤ N_p= ψ (R^н, S), (1)

где   ψ (R^н, S)-функция, соответствующая характеру деформации элемента (осевое или впецентренное сжатие и т. д.);

R^н - прочностная характеристика кладки (предел проч­ности);

S - геометрическая характеристика сечения.

Метод расчета каменных конструкций по разрушающим на­грузкам был значительно более совершенным, чем метод расчета по допускаемым напряжениям. Будучи полученным непосред­ственно из эксперимента, он лучше отражал действительные условия работы кладки под нагрузкой. Однако и метод расчета по разрушающим нагрузкам имел свои недостатки.

Прежде всего, кроме проверки запаса прочности конструкций, часто бывает необходимым проверить, удовлетворяют ли они эксплуатационным требованиям по деформациям или по трещинообразованию. Так, например, при проектировании армокерамических перекрытий нас, кроме их прочности, интересует макси­мально возможная величина прогиба.

Поскольку проверка деформаций или величины возможного раскрытия трещин нас интересует в эксплуатационной стадии, когда усилия далеки от разрушающих, постольку непосредствен­ное использование метода расчета по разрушающим нагрузкам для выполнения таких проверок не может быть сделано.

В едином коэффициенте запаса одновременно учитывается воз­можность отклонения действительных нагрузок, характеристик прочности и других факторов, влияющих на несущую способ­ность, от тех средних значений, которые были приняты в расчете, причем предполагается одинаковая вероятность изменения всех нагрузок, действующих на сечение, независимо от реальных пре­делов колебания величины каждой из этих нагрузок в отдель­ности.

Однако в ряде случаев увеличение одних нагрузок более опасно, чем других. Так, например, для подпорных степ увеличе­ние горизонтального давления грунта опасно для устойчивости, к то время как увеличение собственного веса подпорной стены,, наоборот, увеличивает надежность ее устойчивости. Наиболее не­благоприятными будут такие условия, когда одновременно возра­стут горизонтальные нагрузки и понизится по сравнению с приня­тым в расчете, собственный вес подпорной стены. Такую возмож­ность метод расчета по разрушающим нагрузкам не предусматри­вает, хотя в действительности она может быть. В этом легко убедиться, если представить себе, что камень, использованный для стены, оказался несколько легче предусмотренного в проекте, а грунт, создающий давление, имел меньший угол внутреннего трения.

Следует также учитывать, что вероятность отклонения от сред­них значений у различных нагрузок различна. Так, например, отклонение веса кирпичной кладки от его среднего значения трудно представить более чем на ±10%, в то время как перегрузка конструкции за счет снега, особенно при его подтаивании и пере­ходе в лед, может иметь значительно большие отклонения. При едином же коэффициенте запаса предполагается, что все нагрузки отклоняются от их средних значений на одинаковую величину. Также грубо оценивается возможность отклонения прочностных,) показателей кладки от их средних опытных значений.

В настоящее время расчет каменных конструкций производится по так называемому методу расчетных предельных состояний, который является дальнейшим развитием метода расчета поразрушающим нагрузкам.