При проектировании всех сооружений мы можем использовать только некоторую часть несущей способности конструкции. Отношение разрушающей нагрузки к расчетной называется коэффициентом запаса. Величина коэффициента запаса в строительстве зависит от целого ряда особенностей материала конструкций и условий их возведения. Имеет значение также и точность методов расчета. Величина коэффициентов запаса для тех или иных конструкций устанавливается на основании учета широкого опыта их применения.
Для правильного понимания коэффициентов запаса в каменных конструкциях и сознательного пользования ими мы должны установить, из каких основных элементов они слагаются.
Назначая коэффициент запаса в строительстве, учитывают следующие неблагоприятные для работы конструкции моменты:
- Возможность некоторого повышения действующих сил по сравнению с расчетными. Нагрузки конструкции подсчитываются довольно точно. В каменных зданиях основной преобладающей нагрузкой является собственный вес конструкции, который может быть определен с достаточной степенью точности. Такие менее определенные нагрузки, как например давление ветра, имеют меньшее значение при расчете каменных конструкции. Установленная нормами величина давления ветра предусматривает худшие случаи; имевшие место в определенном районе на протяжении очень длительного периода времени. Поэтому значительного превышения фактических нагрузок относительно расчетных не может быть. Отсюда можно принять, что возможное превышение полной расчетной нагрузки должно учитываться для каменных конструкций в пределах максимум до 25%. Если бы мы рассматривали только временные нагрузки, то коэффициент возможного превышения был бы значительно больше и вытекал бы из конкретных условий каждого отдельного случая.
- Возможность колебания в неблагоприятную сторону показателей прочности материалов. Расчет ведется по средним показателям прочности материалов. Стандарты на каменные материалы и технические условия на растворы допускают определенные отклонения в показателях прочности в худшую сторону. Кроме того надо учесть неоднородность материалов, из которых ведется кладка, и большое влияние “руки каменщика“ даже при соблюдении им технических условий на кладку. Действительно, выкладывая образцы из одной партии материалов в лабораторных условиях, мы получаем колебания прочности кладки в ту и другую стороны в пределах +/- 20%. С учетом же допускаемых техническими условиями колебаний в прочности материалов прочность кладки может снизиться до 30%.
- Возможность производственных отклонений в размерах конструкций и разбивке осей. Установленные допуски в размерах кладки, величине эксцентричности и глубине пустошовки могут дать в совокупности повышение напряжений до 10%.
Учет трех перечисленных выше моментов в указанных пределах, которые должны считаться нормальными для кладки даже при соблюдении всех технических условий на производство работ, дает следующую минимальную величину коэффициента запаса для кладки:
kmin = (1,25*1,10)/0,70 ≈ 2
Такой минимальный коэффициент запаса для практики массового строительства явно недостаточен. Необходимо считаться с определенным технических уровнем выполнения каменных конструкций на настоящем этапе. Испытание кирпича и раствора производится далеко не во всех случаях, часто применяются не вполне доброкачественные материалы. Отклонения в размерах, вертикальности, разбивке осей, пустошовке и т. д. весьма часто превышают установленные допуски. Качество кладки не всегда на должной высоте. Если бы без коренного улучшения всей техники выполнения кладки был установлен определенный выше минимальный коэффициент запаса 2, то мы при стечении неблагоприятных обстоятельств имели бы массовые случаи аварий каменных конструкций. Изучение результатов массового опыта применения каменных конструкций и анализ имевших место аварий приводит к необходимости дополнительного поправочного коэффициента запаса в строительстве, который учел бы технический уровень выполнения на производстве каменных конструкций. Этот поправочный коэффициент принят в 1,5, что дает общий коэффициент запаса 3. Такой коэффициент и принят как основной для расчета каменных конструкций. Дополнительный коэффициент запаса должен учесть также и то, что мы ведем расчеты по стадии окончательного разрушения конструкции, тогда как первые трещины возникают при значительно более низких нагрузках, составляющих в зависимости от рода раствора 50-70% от разрушающих. Появление таких трещин, хотя они еще и не являются разрушающими, не может быть допущено при сдаче здания в эксплуатацию. Дополнительный коэффициент запаса в строительстве должен устранить возможность появления таких трещин при нормальных условиях.
Хотя, как уже отмечалось, прочность кладки может дать большие отклонения в сторону понижения даже при отсутствии явных дефектов кладки, тем не менее это понижение с избытком покрывается установленным коэффициентом запаса 3 и не может само по себе вызвать появление трещин в кладке. Отсюда следует, что если появились в кладке трещины, значит, имели место нарушения правил нормального производства работ или ошибки в расчете или то и другое вместе взятое.
С повышением технического уровня выполнения каменных конструкций за счет главным образом упорядочения дела испытания кирпича и раствора и повышения качества кирпича коэффициент запаса будет снижен. Уже сейчас нормы проектирования каменных конструкций позволяют снизить коэффициент запаса до 2,5, если прочность кладки для данных материалов будет определена испытанием столбов размером 0,38 x 0,38 x 1,20 м.
Могут быть установлены также пониженные коэффициенты запаса на время производства работ (так называемые монтажные коэффициенты запаса). Для отдельных случаев работы каменных конструкций в сооружениях II класса и ниже установлены следующие коэффициенты запаса:
- на прочность при сжатии, растяжении и изгибе k = 3;
- на устойчивость при опрокидывании kу = 1,5;
- на трение kт= 1,5.
В тех случаях, когда силы трения обеспечивают прочность и устойчивость сооружения, например когда они погашают распор от арок, коэффициент запаса на трение повышается до kт = 2. Примером, когда достаточен коэффициент запаса 1,5, может служить случай расчета подпорной стенки на смещение под действием горизонтального давления земли.
Для армокаменных конструкций коэффициент запаса принимается в зависимости от того, какой материал определяет разрушение конструкций. Различают следующие случаи:
- Столбы с сетчатым армированием при центральном и внецентренном сжатии k = 3
- Столбы с продольным армированием: а) при центральном сжатии k = 3; б) при внецентренном сжатии с разрушением в сжатой зоне k = 3; в) то же при разрушении в растянутой зоне k = 2,5.
- Железокирпичные балки: а) при разрушении в растянутой зоне k = 2; б) при разрушении от скалывания кладки k = 3.
Для сооружений I класса все указанные выше коэффициенты запаса повышаются на 100%, что должно покрыть возможный некоторый износ материалов (ослабление от многократного замораживания, выветривания и т. п.) в течение длительного срока эксплуатации. Что касается сооружений III и IV классов, то нет оснований для снижения в них коэффициентов запаса, так как практика показала, что появление трещин в конструкциях обыкновенно происходит в первые годы эксплуатации здания, т. е. при одинаковых условиях для всех классов.
Для расчетов отдельных элементов в незаконченном здании в процессе производства работ коэффициенты запаса в строительстве могут быть снижены на 20%. В период, когда здание будет работать с пониженными монтажными коэффициентами запаса, оно будет находиться под наблюдением строительного персонала, который своевременно может принять соответствующие меры, если бы даже допущенные напряжения оказались на некоторое время чрезмерными.
К моменту сдачи здания в эксплуатацию должен быть обеспечен полный запас прочности, установленный нормами. В каменных конструкциях в отличие от других видов конструкций не устанавливается специальный пониженный коэффициент запаса на случай действия ветра, так как ветер является для стен основной нагрузкой. В тех случаях, где ветер дает незначительные дополнительные напряжения на сжатие (до 1 кг/см2), он не учитывается вовсе.
