Konstrukcje budowlane - obliczenia PDF

Preview

Summary

Zasady obliczeń konstrukcji budowlanych...

Description

INFORMACJE OGÓLNE O EUROKODACH PODSTAWY PROJEKTOWANIA KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH WEDŁUG EUROKODÓW

dr inż. Barbara M. Deja KBOiFB

1

1. PODSTAWY PRAWNE PROJEKTOWANIA KONSTRUKCJI W polskiej normie PN-90/B-03000 „Projekty budowlane. Obliczenia statyczne” określono wymagania, jakim powinny odpowiadać obliczenia statyczne projektów budowlanych pod względem zakresu, układu, stosowanej terminologii, umownych oznaczeń, formy graficznej. Znajduje się tam zalecenie, zgodnie z którym obliczenia dotyczące konstrukcji należy wykonywać na podstawie obowiązujących norm, wytycznych, instrukcji wydawanych przez upoważnione instytucje naukowe. W zakresie norm taką instytucją jest Polski Komitet Normalizacyjny PKN. 1. stycznia 2003 r. weszła w Polsce w życie ustawa o normalizacji (Dz. U. nr 169, poz. 1386), w której zapisano, że w Polsce stosowanie polskich norm przestaje być obligatoryjne, co interpretując dosłownie należy rozumieć w ten sposób, że projekt może być wykonany bez obowiązku stosowania się do polskich norm. W ustawie z 7. lipca 1994 r. z późniejszymi zmianami p.n. „Prawo budowlane” usunięto zapis „obowiązkowe” Polskie Normy i wprowadzono zapis, że norma staje się jedynie elementem wiedzy technicznej. W art. 5. Ust. 1. Ustawy „Prawo Budowlane” zapisano: Obiekt budowlany wraz ze związanymi z nim urządzeniami budowlanymi należy, biorąc pod uwagę przewidywany okres użytkowania, projektować i budować w sposób określony w przepisach, w tym techniczno-budowlanych, oraz, zapewniając: 1) spełnienie wymagań podstawowych dotyczących: a) bezpieczeństwa konstrukcji, b) bezpieczeństwa pożarowego, c) bezpieczeństwa użytkowania, d) odpowiednich warunków higienicznych i zdrowotnych oraz ochrony środowiska, e) ochrony przed hałasem i drganiami, f) odpowiedniej charakterystyki energetycznej budynku oraz racjonalizacji użytkowania energii; 2) warunki użytkowe zgodne z przeznaczeniem obiektu, w szczególności w zakresie: a) zaopatrzenia w wodę i energię elektryczną oraz, odpowiednio do potrzeb, w energię cieplną i paliwa, przy założeniu efektywnego wykorzystania tych czynników, b) usuwania ścieków, wody opadowej i odpadów; 2a) możliwość dostępu do usług telekomunikacyjnych, w szczególności w zakresie szerokopasmowego dostępu do Internetu; 3) możliwość utrzymania właściwego stanu technicznego; 4) niezbędne warunki do korzystania z obiektów użyteczności publicznej i mieszkaniowego budownictwa wielorodzinnego przez osoby niepełnosprawne, w szczególności poruszające się na wózkach inwalidzkich; 5) warunki bezpieczeństwa i higieny pracy; 6) ochronę ludności, zgodnie z wymaganiami obrony cywilnej; 7) ochronę obiektów wpisanych do rejestru zabytków oraz obiektów objętych ochroną konserwatorską; 8) odpowiednie usytuowanie na działce budowlanej; 2

9) poszanowanie, występujących w obszarze oddziaływania obiektu, uzasadnionych interesów osób trzecich, w tym zapewnienie dostępu do drogi publicznej; 10) warunki bezpieczeństwa i ochrony zdrowia osób przebywających na terenie budowy. Projektant musi zatem tak projektować obiekt, by spełniał on wszystkie wymienione wyżej warunki, natomiast nie musi do tego celu wykorzystywać obowiązujących norm. Może posłużyć się innymi źródłami. W Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dn. 12.04.2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. nr 75 z dn. 15.06.2002 r. poz. 690) w § 204 ust. 4 zapisano, że warunki bezpieczeństwa konstrukcji uznaje się za spełnione, jeżeli konstrukcja odpowiada polskim normom dotyczącym projektowania i obliczania. Dlatego też bezpiecznie jest stosować się do zaleceń obowiązujących norm, ponieważ w przypadkach wątpliwych trzeba byłoby prowadzić analizy, studia, prace badawcze mające na celu udowodnienie prawidłowości przeprowadzonych obliczeń i zastosowanych metod projektowych. Polskie Normy obowiązywały do marca 2010 r. Od 1.01.2004 roku PKN jest członkiem CEN – Europejskiego Komitetu Normalizacji. Od marca 2010 roku Polskie Normy w zakresie projektowania konstrukcyjnego zostały zastąpione przez Eurokody, czyli zbiór zunifikowanych norm międzynarodowych. EUROKODY są zbiorem Norm Europejskich przeznaczonych do projektowania konstrukcji budynków oraz obiektów budowlanych. Podzielone zostały na 10 dużych działów składających się z kolejnych pozycji normowych objaśniających w sposób szczegółowy zagadnienia konkretnego działu. W poniższym zestawieniu zostały wyszczególnione działy oraz powiązane z nimi normy. Tablica 1. Grupy Eurokodów

Lp.

Nr grupy eurokodu

Nr normy EN, odpowiadającej Eurokodowi

Tytuł grupy eurokodu

1

Eurokod 0

EN 1990

Podstawy projektowania konstrukcji

2

Eurokod 1

EN 1991

Oddziaływania na konstrukcje

3

Eurokod 2

EN 1992

Projektowanie konstrukcji betonowych

4

Eurokod 3

EN 1993

Projektowanie konstrukcji stalowych

5

Eurokod 4

EN 1994

Projektowanie konstr. zespolonych stalowo-betonowych

3

6

Eurokod 5

EN 1995

Projektowanie konstrukcji drewnianych

7

Eurokod 6

EN 1996

Projektowanie konstrukcji murowych

8

Eurokod 7

EN 1997

Projektowanie geotechniczne

9

Eurokod 8

EN 1998

Projektowanie konstrukcji poddanych oddziaływaniom sejsmicznym

10

Eurokod 9

EN 1999 Projektowanie konstrukcji aluminiowych

Spośród wyszczególnionych wyżej norm tylko pierwsza jest pojedyncza, pozostałe zaś są wieloczęściowe. W sumie jest 57 części Eurokodów. Tablica 2. Normy PN-EN oparte na Eurokodach

Lp.

Grupa Liczba eurokodu norm

Numery norm PN-EN

Tematyka norm w grupie

1

Grupa 0

1

PN-EN 1990

Podstawy projektowania konstrukcji

2

Grupa 1

10

PN-EN1991-11 do 1991-1-7, 19912, 1991-3 i 1991-4

Oddziaływanie na konstrukcje: ciężar objętościowy i własny, obciążenia użytkowe, warunki pożarowe, obciążenie śniegiem i wiatrem, oddziaływanie termiczne, w czasie wykonywania konstrukcji i wyjątkowe, obciążenia ruchome mostów, obciążenia wywołane przez dźwigi i maszyny, silosy i zbiorniki

3

Grupa 2

4

Projektowanie konstrukcji z betonu: reguły ogólne, PN-EN 1992-1-1 i -1-2, warunki pożarowe, mosty betonowe, silosy i 1992-2, 1992-3 zbiorniki

4

Grupa 3

20

PN-EN 1993-1-1 do1993-1-12, 1993-2,1993-31, 1993-3-2, 1993-4-1, 1993-

Projektowanie konstrukcji stalowych: reguły ogólne, warunki pożarowe, kształtowniki na zimno, stal nierdzewna, blachownice, konstrukcje powłokowe i płytowe, projektowanie węzłów, zmęczenie, kruche pękanie i ciągliwość międzywarstwowa, konstrukcje cięgnowe, wyższe 4

gatunki stali, mosty stalowe, wieże i maszty, 4-2, 1993-43,1993-5, 1993- kominy, silosy, zbiorniki, rurociągi, palowanie i grodzie, konstrukcje wsporcze suwnic 6

5

Grupa 4

3

PN-EN Projektowanie konstrukcji zespolonych stalowo1994-1-1 i -1- betonowych: reguły ogólne, warunki pożarowe, reguły dla mostów 2,994-2

6

Grupa 5

3

PN-EN 1995-1- Projektowanie konstrukcji drewnianych: zasady ogólne, warunki pożarowe, mosty 1, -1-2 i -2

7

Grupa 6

4

PN-EN1996-1- Projektowanie konstrukcji murowych: reguły 1 i -1-2,1996-2, ogólne, warunki pożarowe, dobór materiałów i wykonawstwo, niezbrojone konstrukcje murowe 1996-3

8

Grupa 7

2

PN-EN 1997-1, Projektowanie geotechniczne: 1997-2 badania podłoża gruntowego

9

Grupa 8

6

PN-EN 1998-1 Projektowanie konstrukcji poddanych do 1998-6 oddziaływaniom sejsmicznym (nie tłumaczono na język polski)

10 Grupa 9

5

PN-E 1999-1-1 Projektowanie konstrukcji aluminiowych: reguły do 1999-1-5 ogólne, warunki pożarowe, zmęczenie, blachy na zimno, konstrukcje powłokowe

zasady

ogólne,

Oznaczenie pojedynczej normy: PN-EN PN EN X Y–Z

199

X–Y–Z

wyróżnik krajowy polska Eurokod pakiet (np. projektowanie konstrukcji z betonu) część

Informacja, jakie Polskie Normy zostały zastąpione przez Eurokody znajduje się na stronie www PKN. Zakres zagadnień zawartych w Eurokodach 5

BEZPIECZEŃSTWO, UŻYTKOWALNOŚĆ, TRWAŁOŚĆ KONSTRUKCJI EN 1990 ODDZIAŁYWANIA NA KONSTRUKCJE EN 1991 OBLICZANIE I KONSTRUOWANIE EN 1992 żelbet EN 1993 stal EN 1994 zespolone EN 1995 drewniane EN 1996 murowe EN 1999 aluminium PROJEKTOWANIE GEOTECHNICZNE I NA TERENACH SEJSMICZNYCH EN 1997 geotechnika EN 1998 proj. sejsmiczne 2. PODSTAWY PROJEKTOWANIA KONSTRUKCJI WEDŁUG PN-EN-1990 Podstawowy postulat projektowania i realizacji budowli to jej NIEZAWODNOŚĆ! Niezawodność to zdolność konstrukcji do spełnienia określonych wymagań (łącznie z uwzględnieniem projektowanego okresu użytkowania, na który została zaprojektowana). Zawodność rozumiana jest nie tylko jako awaria czy katastrofa, ale także sytuacja, gdy przestają być spełniane wymagania użytkowe . Podstawowe wymagania w stosunku do konstrukcji Konstrukcję należy tak zaprojektować i wykonać, by w zamierzonym okresie użytkowania, z należytym poziomem niezawodności i bez nadmiernych kosztów przejmowała wszystkie oddziaływania i wpływy oraz pozostała przydatna do przewidzianego użytkowania. Normowe kryteria niezawodności konstrukcji Konstrukcję należy tak zaprojektować, by należyte były jej:  nośność (a także odporność ogniowa)  użytkowalność  trwałość  integralność strukturalna przypadku zdarzeń takich jak: wybuch, uderzenie, ludzkie błędy konstrukcja nie może być uszkodzona w zakresie nieproporcjonalnym do początkowej przyczyny. W PN-EN-1990 podano możliwe sposoby zabezpieczeń konstrukcji przed niekorzystnymi skutkami wymienionych wyżej wyjątkowych warunków użytkowania. Zaleca się, by podstawowe wymagania w stosunku do konstrukcji spełniane były w wyniku:  wyboru odpowiednich materiałów,

6

 

należytego zaprojektowania i obliczenia ustroju konstrukcyjnego i opracowania szczegółów konstrukcji (co oznacza, że projekt konstrukcji zostanie opracowany umiejętnie i starannie, z wykorzystaniem aktualnego stanu wiedzy i praktyki), ustalenia procedur kontrolnych projektu, produkcji, wykonania, użytkowania, właściwych dla określonego projektu.

Zatem niezawodność konstrukcji można osiągnąć dzięki:   

projektowaniu zgodnie z Eurokodami wykonaniu konstrukcji zgodnie z właściwymi normami przywołanymi w Eurokodach zarządzaniu zorientowanemu na jakość, czyli stosowaniu odpowiednich procedur nadzoru i kontroli w całym procesie budowlanym

W PN-EN-1990 określono orientacyjne projektowe okresy użytkowania Kategoria projektowego okresu użytkowania 1

Orientacyjny projektowy okres użytkowania (lata) 10

2

od 10 do 25

3

od 15 do 30

4

50

5

100

Przykłady Konstrukcje tymczasowe Wymienialne części konstrukcji np. belki podsuwnicowe Konstrukcje rolnicze i podobne Konstrukcje budynków i inne konstrukcje zwykłe Konstrukcje budynków monumentalnych, mosty i inne konstrukcje inżynierskie

Nośność jest to zdolność elementu konstrukcji lub jej części do przeniesienia oddziaływań (np. nośność na zginanie). Trwałość – jedno z czterech podstawowych wymagań w stosunku do konstrukcji oznacza, że konstrukcję należy tak zaprojektować, by zmiany następujące w konstrukcji w projektowym okresie użytkowania z uwzględnieniem wpływów środowiskowych i przewidywanego poziomu utrzymania nie obniżały właściwości użytkowych konstrukcji poniżej zamierzonego poziomu. 3. METODA OBLICZEŃ Obliczenia konstrukcji zgodnie z Eurokodami wykonuje się z zastosowaniem metody stanów granicznych i częściowych współczynników bezpieczeństwa. Stany graniczne to stany, po przekroczeniu których konstrukcja nie spełnia stawianych jej kryteriów projektowych. Rozróżnia się stany graniczne nośności i stany graniczne użytkowalności.

7

Stany graniczne nośności dotyczą bezpieczeństwa ludzi i/lub konstrukcji, zatem związane są z katastrofą lub innymi podobnymi postaciami zniszczenia konstrukcji, dotyczą bowiem nośności. Stany graniczne użytkowalności dotyczą: funkcji konstrukcji lub jej elementu w warunkach zwykłego użytkowania, komfortu użytkowników lub wyglądu obiektu budowlanego (dotyczą więc takich zjawisk jak ugięcia, drgania, zarysowania). Po przekroczeniu stanów granicznych użytkowalności konstrukcja przestaje spełniać stawiane jej wymagania użytkowe. 4. SYTUACJE OBLICZENIOWE Stany graniczne należy sprawdzać w sytuacjach obliczeniowych , które dzieli się na: trwałe, przejściowe, wyjątkowe. Trwała sytuacja obliczeniowa to taka, której miarodajny czas trwania jest tego samego rzędu, co przewidywany okres użytkowania konstrukcji. Sytuacje trwałe odnoszą się więc do zwykłych warunków użytkowania. Przejściowa sytuacja obliczeniowa to sytuacja o dużym prawdopodobieństwie wystąpienia, której miarodajny czas trwania jest znacznie krótszy niż przewidywany okres użytkowania konstrukcji. Sytuacja ta odnosi się więc do chwilowych warunków konstrukcji np. w czasie budowy lub napraw. Wyjątkowa sytuacja obliczeniowa odnosi się do wyjątkowych warunków użytkowania konstrukcji lub jej ekspozycji np. pożar, wybuch, uderzenie, lokalne zniszczenie. 5. STANY GRANICZNE NOŚNOŚCI (SGN) ULTIMATE LIMIT STATES (ULS) Sprawdzając kryteria nośności należy rozróżnić następujące stany graniczne nośności (ULS):  

 

ULS – EQU (od equilibrium) utrata równowagi konstrukcji lub jej części rozpatrywanej jako ciało sztywne. Wynik sprawdzenia w zasadzie nie zależy od wytrzymałości materiałów konstrukcyjnych i gruntu. ULS – STR (od strength) zniszczenie na skutek nadmiernego odkształcenia, przekształcenia się w mechanizm, zniszczenie materiałowe, utratę stateczności konstrukcji. Jest to więc zniszczenie wewnętrzne lub nadmierne odkształcenie konstrukcji (łącznie z fundamentami), w przypadku których decyduje wytrzymałość materiału. ULS – GEO (od geotechnical) utrata równowagi lub zniszczenie konstrukcji na skutek wyczerpania nośności lub nadmiernego odkształcenia podłoża gruntowego. ULS – FAT (od fatique) zniszczenie zmęczeniowe konstrukcji lub jej elementu).

Najczęstsze przyczyny osiągnięcia stanu granicznego nośności to wyczerpanie nośności w najbardziej wytężonych przekrojach i połączeniach oraz utrata stateczności ściskanych elementów konstrukcji na skutek przekroczenia wartości krytycznych charakterystycznych dla tych elementów. Sprawdzenie stanów granicznych nośności polega najczęściej na porównaniu odpowiednio zwiększonych sił wewnętrznych (momentów zginających, sił podłużnych i poprzecznych) z odpowiednio zmniejszoną nośnością konstrukcji i wykazaniu, że w każdym miarodajnym

8

przekroju lub elemencie konstrukcji, dla każdej z kombinacji obciążeń, spełniony jest warunek Ed ≤ Rd gdzie: Ed efekty działań obciążeń (siły wewnętrzne M, N, V wyznaczone dla obciążeń obliczeniowych) Rd obliczeniowa nośność przekroju lub elementu konstrukcji, lub inaczej

Ed/ Rd ≤ 1,0

Powyższy sposób sprawdzenia ULS jest swoistą oceną bezpieczeństwa pozwalającą na określenie stopnia wykorzystania nośności elementu. Dla niektórych konstrukcji (np. drewnianych) sprawdzenie stanów granicznych nośności polega nie na porównaniu sił wewnętrznych i nośności tylko na porównaniu obliczeniowych naprężeń panujących w przekroju z obliczeniową wytrzymałością materiału, z której wykonany jest element. 6. STANY GRANICZNE UŻYTKOWALNOŚCI (SGU) SERVICEABILITY LIMIT STATES (SLS) Rozpatrując stany graniczne użytkowalności należy wykazać, że spełnione są odpowiednie kryteria sztywności konstrukcji dotyczące:  Ugięć, deformacji (wpływających na wygląd, komfort użytkowników lub funkcję konstrukcji, w tym funkcjonowanie urządzeń),  Drgań (powodujących dyskomfort ludzi i ograniczających przydatność użytkową konstrukcji,  Lokalnych uszkodzeń (wpływających negatywnie na wygląd, trwałość lub funkcjonowanie konstrukcji). Rozróżnia się odwracalne i nieodwracalne stany graniczne użytkowalności. Odwracalne stany graniczne użytkowalności to takie, w których nie pozostają konsekwencje oddziaływań, przekraczające określone wymagania użytkowe po ustąpieniu tych oddziaływań. Nieodwracalne stany graniczne użytkowalności to takie, w których pozostają konsekwencje oddziaływań, przekraczające określone wymagania użytkowe po ustąpieniu tych oddziaływań. Sprawdzenie stanów granicznych użytkowalności polega na sprawdzeniu warunku: Ek ≤ Ck gdzie: Ek wartość charakterystyczna efektu oddziaływań (np. ugięcie elementu) Ck wartość graniczna tego efektu (ugięcie graniczne) 7. ZMIENNE PODSTAWOWE W METODZIE STANÓW GRANICZNYCH I WSPÓŁCZYNNIKÓW CZĘŚCIOWYCH W metodzie SG i współczynników częściowych definiuje się następujące zmienne podstawowe oraz ich wartości obliczeniowe:

9



Oddziaływania i wpływy środowiskowe (F - obciążenia) Fd = γF Frep Frep = ψ Fk

gdzie: Fd Frep γF ψ

wartość obliczeniowa oddziaływania wartość reprezentatywna oddziaływania częściowy współczynnik obciążeń współczynnik redukcyjny zmiennych oddziaływań towarzyszących 

Właściwości materiałów i wyrobów budowlanych (X – wytrzymałość materiału) Xd = η Xk/ γM

gdzie: Xd wartość obliczeniowa właściwości materiału Xk wartość charakterystyczna właściwości materiału γm częściowy współczynnik dla właściwości materiału lub wyrobu uwzględniający niekorzystne odchyłki właściwości materiału lub wyrobu od wartości charakterystycznej η średnia wartość współczynnika konwersji uwzględniającego: efekty objętości i skali efekty wilgotności i temperatury inne istotne parametry  Wielkości geometryczne – wymiary przekroju, elementu, geometria systemu (a), imperfekcje (Δa) ad = anom

ad = anom + Δa

gdzie: ad wartość obliczeniowa wielkości geometrycznej anom wartość nominalna wielkości geometrycznej Δa imperfekcje tzn. zmiana nominalnej wielkości geometrycznej przyjmowana do obliczeń 8. WSPÓŁCZYNNIKI CZĘŚCIOWE W METODZIE STANÓW GRANICZNYCH I CZĘŚCIOWYCH WSPÓŁCZYNNIKÓW BEZPIECZEŃSTWA Współczynniki częściowe stosowane w metodzie SG uwzględniają: niepewność 1.  

reprezentatywnych wartości oddziaływań modelu oddziaływań i /lub efektów oddziaływań

γf γSd

Iloczyn tych dwóch współczynników jest zintegrowanym współczynnikiem niepewności oddziaływań (mnożniki) γF = γf γSd 10

oraz niepewność 2.  

charakterystycznych właściwości materiału modelu stanu granicznego nośności

γm γRd

Iloczyn tych dwóch współczynników jest zintegrowanym współczynnikiem niepewności modelu oddziaływań i/lub efektu oddziaływań (dzielniki) γM = γmγRd

11...