Коэффициент запаса прочности - важнейший показатель надежности конструкции. От его правильного определения зависит безопасная эксплуатация сооружений.
Определение коэффициента запаса прочности
Коэффициент запаса прочности показывает, во сколько раз фактическая прочность конструкции или материала превышает расчетные нагрузки, которым она подвергается в процессе эксплуатации.
Иными словами, это запас прочности конструкции сверх требуемой по условиям ее работы. Чем выше коэффициент запаса прочности, тем надежнее работа конструкции.
Зачем нужен коэффициент запаса прочности
- Компенсировать погрешности расчета
- Учесть возможное ухудшение свойств материала со временем
- Предусмотреть случайные перегрузки
Без запаса прочности любые неучтенные факторы могут привести к разрушению конструкции.
Факторы, влияющие на коэффициент запаса прочности
При выборе коэффициента запаса учитывают:
- Ответственность конструкции
- Точность методов расчета
- Степень изученности работы конструкции в эксплуатации
- Условия работы и окружающей среды
Для ответственных конструкций и при недостаточной изученности условий работы применяют повышенные коэффициенты запаса.
Нормативные требования
Требования к минимальным значениям коэффициента запаса прочности устанавливаются нормативными документами.
Например, СНиП II-23-81* регламентирует значения коэффициента запаса для стальных конструкций от 1,05 до 1,8 в зависимости от класса сооружения и вида нагрузки.
Расчет коэффициента запаса прочности
Существует несколько методов определения коэффициента запаса прочности в зависимости от критерия прочности, который принимается за расчетный:
- По допускаемым напряжениям
- По предельным нагрузкам
- Для основных критериев разрушения (срез, смятие, устойчивость)
Коэффициент запаса по допускаемым напряжениям
Этот метод является наиболее распространенным.
Коэффициент запаса n вычисляют по формуле:
где:
- [σ] - максимальные фактические напряжения
- [σ]доп - допускаемые напряжения
Пример расчета
Для стальной балки максимальные нормальные напряжения составили 120 МПа. Согласно СНиП, допускаемые напряжения для данной конструкции - 100 МПа.
Тогда коэффициент запаса будет равен:
То есть запас прочности составляет 1,2 от требуемого по нормам.
Коэффициент запаса по предельным нагрузкам
Этот метод применяют, когда невозможно или затруднительно определить фактические напряжения в конструкции.
Коэффициент запаса n вычисляют по формуле:
где:
- Ппред - предельная нагрузка, приводящая к разрушению
- P - расчетная нагрузка по нормативным документам
Предельную нагрузку можно определить экспериментально, испытав образцы до разрушения. Либо по справочным данным для материала конструкции.
Расчетная нагрузка назначается в нормативных источниках в зависимости от функционального назначения конструкции.
Пример расчета коэффициента запаса для каната
Рассмотрим определение коэффициента запаса прочности на примере стального каната, используемого в качестве троса для подъема груза.
Согласно паспорту, разрывное усилие для данного каната составляет 100 кН. Расчетная нагрузка от поднимаемого груза - 60 кН. Требуется определить запас прочности каната.
Подставляем значения в формулу для коэффициента запаса по предельным нагрузкам:
Итак, коэффициент запаса прочности каната равен 1,67. Это означает, что фактическая разрывная прочность в 1,67 раза выше допустимой расчетной нагрузки. Такой запас можно считать достаточным.
Допустимый коэффициент запаса для канатов и тросов
Для грузоподъемных канатов и тросов коэффициент запаса прочности регламентирует ГОСТ 25573-82.
В этом стандарте для канатов из разных материалов указаны значения коэффициента от 5 до 18 в зависимости от числа проволочек в сечении. Чем больше проволочек в канате, тем ниже может быть коэффициент запаса из-за повышения надежности.
Коэффициент запаса для канатов в течение срока эксплуатации
Прочность каната со временем снижается из-за усталостных явлений и коррозии. Поэтому для долговечных подъемных сооружений требуется значительный запас прочности.
Согласно ПБ 10-382-00, запас прочности подъемных канатов должен быть не менее 16 на весь период эксплуатации до замены каната.
Особенности определения коэффициента запаса для арматуры
При расчете арматуры в бетонных конструкциях имеются свои особенности.
Во-первых, помимо прочности, необходимо обеспечить совместность работы бетона и арматуры. Поэтому дополнительно контролируют относительные деформации.
Во-вторых, нужно учитывать длительность эксплуатации конструкции и возможную коррозию арматуры. Это требует более высоких коэффициентов запаса.
Выбор арматуры с запасом по растяжению и сжатию
Согласно СП 63.13330.2018, площадь арматуры должна удовлетворять условиям:
- по растянутой зоне с запасом 15%
- по сжатой зоне с запасом 30%
Это необходимо для того, чтобы при длительной эксплуатации обеспечивалась совместная работа арматуры с бетоном при возможном появлении трещин в растянутой зоне.
Учет коррозии при выборе диаметра стержней
Диаметр отдельных стержней арматуры назначают с запасом не менее 0,5 мм на возможную коррозию за весь период эксплуатации конструкции.
Например, если требуемый диаметр по расчету получился 20 мм, то назначают стержни диаметром не менее 20,5 мм.
Особенности расчета запаса прочности фундаментов
При проектировании фундаментов также есть ряд особенностей при назначении коэффициента запаса прочности.
- Выбор глубины заложения фундаментов с запасом. Глубину заложения фундамента назначают на 15-20% больше расчетной, чтобы иметь запас на возможное повышение уровня грунтовых вод со временем.
- Увеличение ширины фундаментов с запасом. Ширину ленточных фундаментов назначают на 10-15% больше полученной по расчету. Это необходимо для обеспечения общей устойчивости здания, так как грунты в основании со временем могут дополнительно уплотниться.
- Добавление запаса в армировании фундаментных блоков. Площадь арматуры в фундаментах назначают с запасом 10% относительно минимальных требований. Это связано с возможным повышением нагрузок на фундаменты при последующей эксплуатации зданий.
- Увеличение толщины защитного слоя бетона. Толщину защитного слоя бетона в фундаменте назначают не менее 50 мм. Это необходимо для предохранения арматуры от коррозии в процессе длительной эксплуатации при возможном подтоплении грунтовыми водами.
- Выбор морозостойкости бетона с запасом. Марку бетона по морозостойкости назначают на 2 ступени выше требуемой, согласно климатическим условиям района строительства. Это обеспечивает долговечность конструкций фундаментов.
Повышенный запас прочности свайных фундаментов
Коэффициент запаса по несущей способности для свай повышают до 5-6, так как прочностные характеристики грунтов в основании определяются приближенными методами расчета.
Особенности расчета запаса прочности балок
При проектировании балочных конструкций также применяют повышенные коэффициенты запаса прочности.
- Увеличение моментов сопротивления сечения. Момент сопротивления поперечного сечения балки выбирают с запасом 10-15% относительно минимально требуемого по расчету. Это необходимо для компенсации погрешностей в назначении нагрузок и определении усилий.
- Повышение толщины стенки балки. Толщину стенки балочной конструкции назначают с запасом не менее 15% сверх минимальных требований для обеспечения общей устойчивости балки.
- Увеличение площади опорных узлов. Площадь опорных узлов балок выбирают с запасом 20% для исключения концентрации напряжений и возможных местных деформаций в зоне опирания балки.
- Усиление элементов решетчатых балок. Площадь сечения элементов решетки в фермах и балках назначают с запасом 30% для повышения общей жесткости и устойчивости конструкции.
- Дополнительный запас армирования железобетонных балок. Площадь арматуры в железобетонных балках принимают с запасом не менее 20% относительно минимальных требований норм за счет установки дополнительных стержней.
Особенности расчета запаса прочности колонн
При проектировании колонн и опор в различных конструкциях также используют повышенные коэффициенты запаса.
- Увеличение площади поперечного сечения. Площадь поперечного сечения колонны или опоры назначают с запасом не менее 10% относительно минимальных требований норм. Это необходимо для обеспечения общей устойчивости конструкции.
- Усиление элементов составных колонн. Площадь сечения элементов в составных колоннах (из двутавров, швеллеров) выбирают с запасом 15% для повышения общей несущей способности.
- Увеличение длины заделки в фундамент. Длину заделки колонн в фундамент или ростверк назначают на 20% больше расчетной для обеспечения прочного закрепления и предотвращения продавливания.
- Повышение марки бетона колонн. Марку бетона по прочности в железобетонных колоннах назначают как минимум на 1 ступень выше требуемой по расчету для долговременной надежной работы.
- Дополнительное армирование центрально-сжатых колонн. В центрально-сжатых железобетонных колоннах устанавливают дополнительные спирали или хомуты с запасом площади поперечной арматуры не менее 15%.
