METODE PENTRU CALCULUL CONSTRUCŢIILOR

Transcript

1 METODE PENTRU CALCULUL CONSTRUCŢIILOR.1. Metode deterministe Factorii principali ai siguranţei care intervin în calculele efectuate conform principiilor metodelor deterministe se stabilesc empiric şi se consideră mărimi certe. Metodele deterministe sunt metoda rezistenţelor admisibile şi metoda de calcul la rupere. Metoda rezistenţelor admisibile stă la baza elaborării STAS 763/1-7 şi are la bază următoarele ipoteze fundamentale cunoscute din rezistenţa materialelor: - materialele de construcţie se comportă elastic în exploatare; - secţiunile normale pe axa elementelor înainte de deformare, rămân plane şi după deformare (ipoteza lui Bernoulli); - eforturile unitare sunt proporţionale cu deformaţiile (legea lui Hooke). Principiul de calcul constă în compararea eforturilor unitare normale şi tangenţiale maxime σ max, τ max care se dezvoltă în secţiunile cele mai solicitate ale elementelor de construcţie, cu valorile admisibile ale rezistenţelor normale σ a, respectiv tangenţiale τ a. Rezistenţele admisibile σ a, τ a reprezintă o fracţiune din rezistenţa limită a materialului la care se produce distrugerea acestuia şi se obţin prin împărţirea rezistenţelor limită σ lim, τ lim la un coeficient de siguranţă unic, c. Pentru grupările de încărcări, valorile rezistenţelor admisibile şi ale coeficienţilor de siguranţă corespunzători sunt diferite. Cu cât probabilitatea acţiunii simultane a încărcărilor ce compun gruparea de încărcări considerate este mai mică, cu atât coeficienţii de siguranţă se reduc, apropiindu-se de unitate, iar rezistenţele admisibile cresc, apropiindu-se de rezistenţa limită. Calculul prin metoda rezistenţelor admisibile este încă folosit pentru proiectarea construcţiilor din lemn şi parţial a celor metalice. Rezistenţele admisibile σ a, τ a reprezintă o fracţiune din rezistenţa limită a materialului la care se produce curgerea şi se obţin prin împărţirea rezistenţelor limită σ c, τ c la un coeficient de siguranţă unic, c: Pe lângă lemn şi metal, materiale cu calităţi elastice, în construcţii se folosesc pe scara largă materiale care nu se comportă elastic sub sarcinile de exploatare, cum sunt zidăria şi betonul armat. Neglijarea proprietăţilor plastice ale materialelor şi valoarea convenţională a coeficienţilor de siguranţă fac ca metoda rezistenţelor admisibile să reprezinte o etapă depăşită în calcului construcţiilor. Abaterile ce pot să apară între

2 comportarea reală a structurii în exploatare şi schema luata în calcul depind de o mulţime de parametri care necesită un studiu sistematic şi dezvoltarea unor alte metode de calcul. Metoda de calcul la rupere are în vedere stadiul de rupere al secţiunilor ca stadiu de calcul. Eforturile din elementele de construcţie se determină după metodele staticii construcţiilor, aplicate corpurilor omogene. Principiul metodei constă în compararea efortului maxim care se dezvoltă în secţiunea cea mai solicitată a unui element de construcţie cu efortul de rupere, împărţit la un coeficient de siguranţă unic, c r : Metoda ţine seama de comportarea reală a materialelor în stadiul de rupere (redistribuirea eforturilor în urma deformaţiilor plastice), dar menţine coeficientul de siguranţă unic cu valori convenţionale, fără un studiu sistematic al parametrilor care influenţează siguranţa structurii. În cadrul metodelor deterministe, coeficientul unic de siguranţă ţine cont de: - Abateri ale mărimii solicitărilor faţă de valorile prescrise în norme; - Abateri dimensionale ale elementelor constructive; - Abateri ale valorii caracteristicilor mecanice ale materialului; - Abateri ale comportării reale faţă de modelul matematic considerat Verificarea siguranţei construcţiilor după metoda rezistenţelor admisibile condiţiile capacităţii portante de exploatare se referă la: verificări de rezistenţă; verificări de stabilitate; verificări la oboseală, în cazul încărcărilor repetate. Gruparea de acţiuni I II III Coeficienţi de siguranţă Conform STAS Valorile coeficienţilor de siguranţă C 1 1 c 2 2 1,50 1,35 1,20 1 Coeficientul de siguranţă c 1 serveşte la determinarea rezistenţei admisibile pentru elemente laminate din oţel supuse la solicitări statice; σ a = σ c/ c 1 2 Coeficientul c 2 serveşte la determinarea rezistentei admisibile la eforturi de comparaţie ; σ echivalent = σ c/ c 2 condiţiile de rigiditate. Pentru a exclude posibilitatea de apariţie a unor deformaţii la transport, montaj, vibraţii în exploatare, deformaţii exagerate sub încărcări, elementele de construcţii trebuie să satisfacă : 1/0,75 1/0,80 1/0,85

3 în cazul elementelor solicitate axial λ max < λ a unde : λ max este coeficientul de zvelteţe maxim; λ a coeficientul de zvelteţe admisibil, în funcţie de destinaţia elementului, importanţa lui şi de natura solicitării (întindere, compresiune în regim static sau dinamic). În cazul elementelor solicitate la încovoiere f max < fa unde : f max este săgeata maximă a grinzii calculată din încărcarea normată fără coeficienţi dinamici ; f a săgeata admisibilă stabilită în funcţie de destinaţia şi importanţa elementului Verificarea siguranţei construcţiilor după metoda calculului la rupere N r M N r ; r T Mr ; r Tr ; cr cr cr unde: N max, M max, T max eforturi maxime în secţiunea cea mai solicitată; N r, M r, T r eforturi de rupere; c r coeficientul de siguranţă unic. II.2. Metoda semiprobabilistică a stărilor limită În opoziţie cu metodele deterministe de calcul, metoda semiprobabilistică a stărilor limită se caracterizează prin două trăsături esenţiale: - se consideră în mod sistematic diferitele stări limită posibile pentru o construcţie dată; - se consideră în mod independent variabilitatea diferiţilor factori care afectează siguranţa construcţiilor, stabilindu-se în consecinţă datele cantitative care determină nivelul de asigurare al construcţiilor. Prin stare limită se înţelege o stare a cărei atingere implică pierderea reversibilă sau ireversibilă a capacităţii unei construcţii de a satisface condiţiile necesare exploatării, sau implică apariţia unor pericole pentru viaţa sau sănătatea oamenilor. Verificarea siguranţei construcţiilor prin metoda de calcul a stărilor limită constă în compararea valorilor acţiunilor cu valorile acţiunilor

4 corespunzătoare apariţiei diferitelor stări limită. În funcţie de natura stării limita considerate, criteriul de comparaţie poate fi constituit de diferiţi parametri, şi anume: - compararea încărcărilor aplicate unui element de construcţie sau unei structuri cu încărcările capabile (cazul când se admite redistribuirea plastică a eforturilor pe întreaga structură sau când se fac verificări de stabilitate a poziţiei); - compararea eforturilor sau sistemelor de eforturi din secţiunile cele mai solicitate cu capacităţile portante ale secţiunilor (cazurile în care se admite numai redistribuirea plastică a eforturilor pe secţiune); - compararea eforturilor unitare din punctele cele mai solicitate cu rezistentele materialelor de construcţie (cazurile în care se admite redistribuirea plastică a eforturilor unitare pe secţiune); - compararea deformaţiilor elementelor de construcţie cu deformaţiile capabile a căror depăşire implică ruperea elementelor; - compararea deplasărilor sau deformaţiilor statice sau a amplitudinilor deplasărilor dinamice cu valorile limită omoloage, în cazul verificării unor condiţii de exploatare; - compararea deschiderii fisurilor cu deschiderile limită, în cazul unor verificări specifice elementelor din beton Stări limită ultime definite ca stări ce corespund epuizării capacităţii portante sau unei alte pierderi ireversibile a calităţilor necesare exploatării construcţiei. În această categorie, în cazul construcţiilor din oţel intră: deformaţiile plastice remanente excesive ale elementelor solicitate la întindere sau încovoiere; ruperile elementelor datorate fenomenului de oboseală sau ruperile cu caracter fragil; pierderea generală sau locală a stabilităţii elementelor; pierderea stabilităţii formei sau a poziţiei structurii în ansamblul sau (răsturnare, lunecare) Stări limită ale exploatării normale definite ca stări limită ce corespund capacităţii de asigurare a unei exploatări normale a construcţiei. În această categorie, în cazul construcţiilor din oţel, intră deplasările statice sau dinamice excesive. Principalele fenomene care pot duce la apariţia stărilor limită de exploatare normală sunt următoarele:

5 - deplasările statice sau dinamice excesive; - fisurile care depăşesc valorile din exploatarea normală. Calculul de dimensionare a elementelor de construcţii şi a structurilor cu metoda stărilor limită are ca scop final obţinerea unei asigurări suficiente, ţinând seama şi de importanţa funcţională a acestora, pentru evitarea situaţiei în care construcţia ajunge într-una din cele două stări limită. În plus, această asigurare este în mod important condiţionată şi de alcătuirea constructivă, de calitatea materialelor folosite precum şi de respectarea unor condiţii de exploatare admise la proiectare. Mărimile care intervin în calcule (acţiuni, rezistenţe, module de elasticitate) sunt reprezentate prin valorile lor normate şi valorile lor de calcul. Valorile normate sunt precizate prin valori de referinţă stabilite prin standarde. Valorile normate ale rezistenţelor materialelor reprezintă valori caracteristice normate, adică valori cu asigurare de minimum 0,95 în condiţiile unei calităţi a materialelor care corespund standardelor sau normelor referitoare la aceste materiale. Valorile normate ale modulurilor de elasticitate şi ale caracteristicilor reologice ale materialelor, ca şi cele ale pământului (unghi de frecare internă, caracteristici de coeziune, modului de deformare etc), se stabilesc, de regulă, ca valori medii statistice. Valorile de calcul se obţin prin înmulţirea valorilor normate cu coeficienţi, în general supraunitari, pentru acţiuni şi subunitari pentru rezistenţe, astfel ca în calcule să fie acoperite abaterile în sens defavorabil ale valorilor normate. Valorile de calcul de bază ale rezistenţelor (rezistenţele de calcul de bază ale materialelor) se determină prin aplicarea unui coeficient de siguranţă, pentru material, prin care se ţine seama de depăşirile în sens defavorabil ale valorilor normate ale rezistenţelor datorită variabilităţii statistice a calităţii materialelor şi, în anumite limite, a caracteristicilor geometrice ale elementelor de construcţie. Acest coeficient se stabileşte pentru fiecare material şi calcul de specialitate şi, de regulă, are rolul de a reduce valorile normate. În cazuri deosebite, în care valorile ridicate ale rezistenţelor în anumite zone ale construcţiei sunt defavorabile pentru comportarea în ansamblu, coeficientul de siguranţă pentru material este supraunitar. Valorile de calcul de bază ale rezistenţelor şi capacităţilor portante ale secţiunilor se afectează, de la caz la caz, cu un coeficient al condiţiilor de

6 lucru pentru material, respectiv pentru element, prin care se corectează simplificările introduse în schemele de admise de calcul Verificarea siguranţei construcţiilor după metoda stărilor limită În domeniul construcţiilor din oţel se utilizează de regulă unul din următoarele criterii privind verificarea siguranţei după starea limită ultimă: - de rezistenţă şi stabilitate Compararea eforturilor unitare efective din punctele cele mai solicitate cu rezistenţele de calcul R, N n N σ = = i i mr F F în care : N este solicitarea de calcul (N, M, T, M r etc.) ; N i solicitarea în secţiunea în care se face verificarea din încărcarea normală i ; n i coeficientul încărcării normate i ; F caracteristica geometrică a secţiunii (A n, φ min, A, A i, W n, W P etc.) care intervine în formula de verificare în funcţie de felul solicitării. m coeficientul condiţiilor de lucru, care în general are valoarea 1,0 exceptând următoarele cazuri : m 1,25 în cazul grinzilor cu inimă plină continue, ale căilor de rulare, când se verifică α ech, în secţiunea de reazem ; m = 1,15 pentru alte secţiuni de pe grinda caii de rulare, când α 0 şi m = l,0 când α l =0; m = 0,70 pentru elemente alcătuite dintr-o singură cornieră prinsă pe o singură aripă; m = 0,90 pentru elemente formate dintr-o singură cornieră cu aripi inegale prinsă pe aripa mai lată; R este rezistenţa de calcul a oţelului folosit. În tabelul următor se dau rezistenţele de calcul pentru diverse mărci de oţel laminat.

7 Construcţii civile, industriale şi agricole Rezistenţe de calcul R (dan/mm 2 ) pentru oţel laminat marca Conform : STAS 10108/0-78 Solicitarea Simbol Coeficientul γ aplicat faţă de R OLT 35 OL 37 ORGA 37 OLT 45 OL 44 OCS44 OL 52 OCS 52 ORGA 52 OGS55 OCS58 întindere, compresiune, încovoiere R 1, Forfecare R, 0, Presiune locală la un cilindru rezemat pe un plan/ determinat cu formula lui Hertz) Idem, determinată pe planul diametral al cilindrului Ri 4, Ra 0,04 0,80 0,8 S 0,92 1,00 1,20 1,36 1,50 Rezistenţe de calcul pentru profile şi table laminate cu grosimea t 16 mm. Întindere, compresiune, încovoiere R 1, , Forfecare Rj 0,6 12,5 13,0 14,5 15,5 19,0 21,5 23,5 Rezistenţele de calcul sunt cele din tabel pentru prima treaptă şi a doua treaptă de grosime a 40mm. Pentru treapta a treia de grosime, cu a > 40 mm, rezistenta de calcul se obţine prin împărţirea limitei de curgere respectivă la valorile coeficientului γ m γ m = 1.10 pentru mărcile OL 34; OLT 35; OL 37; ORCA 37 ; OLT 45 ; γ m = l,12 pentru mărcile OL 44; OGS 44; γ m =1,15 pentru OL 52 ; ORCA 52 ; OCS 52 y m =l,20 pentru OCS 55 şi OGS 58 Modificări introduse după redactarea finală a standardului STAS 10108/0. - Compararea eforturilor sau sistemelor de eforturi din secţiunile cele mai solicitate cu capacitatea portantă a secţiunilor N = Σn i N i RF în care: N este solicitarea de calcul (N, M, T, M r etc.) ; Ni solicitarea în secţiunea în care se face verificarea din încărcarea normală i ;

8 n i coeficientul încărcării normate i ; F caracteristica geometrică a secţiunii (A n, φ min, A, A i, W n, W P etc.) care intervine în formula de verificare în funcţie de felul solicitării. R este rezistenţa de calcul a oţelului folosit. Acest criteriu de verificare intervine atunci când se contează în starea limită pe redistribuirea plastica a eforturilor unitare pe secţiune (dimensionarea în stadiul plastic a secţiunilor, în stadiul limită ultim). - Compararea încărcărilor aplicate unui element de construcţie sau unei structuri cu încărcările capabile: n q = Σn i p i q cap Acest criteriu de verificare intervine atunci când se admite redistribuirea plastică a eforturilor pe întreaga structură. (Conducerea în starea limită ultimă a calculului static în stadiul plastic). - de oboseală. Elementele de construcţii metalice supuse la solicitări repetate se pot rupe în timpul exploatării la valori ale eforturilor unitare mai mici decât rezistenţele de rupere corespunzătoare solicitărilor statice, ca urmare a fenomenului de oboseală. În cazul încărcărilor repetate, verificarea la oboseală se face cu relaţiile de la pct cu deosebirea ca termenul de comparaţie, din membru al doilea, este de forma: σ = F N = n N i F i γr unde : R este rezistenţa de calcul a oţelului ; γ coeficientul de oboseala care se determină cu relaţiile : a γ = a b când efortul unitar maxim în valoare absolută este de întindere a γ = b a când efortul unitar maxim este de compresiune. Coeficientul de oboseală γ se limitează la valoarea l (γ l). Coeficienţii a, b, c, se determină în funcţie de numărul ciclurilor încărcărilor variabile şi repetate care apar pe durata de exploatare a elementului sau a structurii de oţel, de marca oţelului folosit şi de grupa de importanţă care caracterizează elementul sau îmbinarea care se verifică.

9 Coeficientul de asimetrie a ciclului, p, se calculează, după caz, cu una din relaţiile min ρ = max Calculul construcţiilor din oţel, după normele în vigoare în România, se face în stadiul elastic. La grinzile continue cu deschideri identice sau la care deschiderile nu diferă între ele cu mai mult de 20%, încărcate static cu încărcări uniform repartizate şi asigurate contra pierderii stabilităţii generale, calculul static poate fi condus cu luarea în considerare a comportării elastico-plastice a materialului. Dimensionarea elementelor de construcţii din oţel, în cazul construcţiilor civile, industriale şi agricole, se face cu metoda stărilor limită (M.St.L.), oficializată în România prin STAS 10108/0-78. Un element de construcţie se consideră dimensionat corespunzător, indiferent de metoda de calcul folosită, dacă satisface în limitele prescrise toate cele trei condiţii de dimensionare, şi anume : 1) în cazul metodei stărilor limită. stările limită ultime ; stările limită ale exploatării normale; condiţiile constructive. 2) în cazul metodei rezistenţelor admisibile. condiţiile capacităţii portante de exploatare; condiţiile de rigiditate; condiţiile constructive. Trebuie subliniat ca ordinea verificărilor nu trebuie în mod neapărat să fie cea prezentată mai înainte. Astfel, de cele mai multe ori, condiţiile constructive se verifică odată cu alegerea elementelor componente ale secţiunii.