Zasady projektowania konstrukcji

Zasady projektowania konstrukcji
Definicje pojęć i etapy projektowania
Na podstawie Literatury branżowej przyjęto następujące definicje podstawowych pojęć (terminów) związanych z zagadnieniem projektowania konstrukcji budowlanych:
 element konstrukcji – element obiektu budowlanego, którego głównym zadaniem jest przenoszenie obciążeń (np. pręt, płyta, cięgno, tarcza, powłoka); elementem konstrukcji jest również podłoże gruntowe,
 ustrój konstrukcyjny – zespół elementów konstrukcji połączonych ze sobą w sposób umożliwiający ich wzajemną współpracę w przenoszeniu obciążeń (np. rama, kratownica, strop gęstożebrowy, szkielet konstrukcji),
 konstrukcja – zespół ustrojów konstrukcyjnych współpracujących w przenoszeniu obciążeń działających na obiekt budowlany,
 układ konstrukcyjny – schemat konstrukcji obiektu budowlanego, określający usytuowanie, wzajemne powiązanie i zadania jego elementów,
 obiekt budowlany (tj. budynek, budowla, obiekt małej architektury) – przedmiot powstały w wyniku działalności budowlanej, połączony z gruntem w sposób trwały; rozróżnia się obiekty podziemne (np. tunel) i naziemne (np. budynek, most, maszt).
Projektowanie konstrukcji można ogólnie podzielić na kilka etapów, które obejmują:
 kształtowanie,
 ustalanie schematów statycznych,
 określanie obciążeń,
 obliczanie sił wewnętrznych i przemieszczeń,
 wymiarowanie,
 sporządzanie opisu technicznego i rysunków.
Kształtowanie polega na wstępnym określeniu kształtu oraz wymiarów konstrukcji i jej elementów, a także wyborze materiału, z którego konstrukcja ma być wykonana. Czyni się to wykorzystując ogólne zasady kształtowania, ustalone na podstawie doświadczeń wynikających z projektowania podobnych konstrukcji.
Ukształtowaną konstrukcję przedstawia się w postaci schematów statycznych dobranych tak, aby jak najwierniej odzwierciedlały rzeczywistą pracę jej ustrojów konstrukcyjnych i elementów.
Po ustaleniu schematów konstrukcyjnych określa się wartości i sposoby działania obciążeń na poszczególne elementy konstrukcji, po czym oblicza się uogólnione siły wewnętrzne (zazwyczaj: momenty zginające M, siły poprzeczne V, siły podłużne N) od tych obciążeń. W odniesieniu do niektórych ustrojów konstrukcyjnych i ich elementów jest wymagane obliczenie przemieszczeń (np. ugięć), rozwarcia rys (w konstrukcjach żelbetowych) itp.
Wymiarowanie polega zazwyczaj na sprawdzeniu, czy siły wewnętrzne S występujące w przekrojach elementów, spowodowane działaniem obciążeń F, nie są większe od nośności R przekrojów, wynikających z wytrzymałości materiału f konstrukcji oraz wymiarów przekrojów. Sprawdza się więc warunek:
S ( F ) R ( f )
Poza tym – jeśli jest to wymagane – sprawdza się, czy obliczone największe przemieszczenia (np. ugięcia a) ustrojów konstrukcyjnych i ich elementów nie przekraczają wartości dopuszczalnych (np. ugięć dopuszczalnych adop), co zapisuje się w postaci warunku:
a adop
Przemieszenia dopuszczalne są określane w normach lub przepisach. Na przykład ugięcia dopuszczalne (graniczne) niektórych elementów stalowych wynoszą (wg PN-90/B-03200):
 dźwigary dachowe kratowe i pełnościenne l/250; l – rozpiętość elementu,
 główne belki stropowe (podciągi) l/350,
 belki stropowe i w klatkach schodowych l/250; w stropach otynkowanych lub obciążonych ścianami wrażliwymi na zarysowanie ugięcie od obciążeń zmiennych długotrwałych nie powinno przekraczać l/350.
W niektórych konstrukcjach sprawdza się również inne warunki, określone odpowiednich normach.
Jeżeli okaże się, że choćby jeden z warunków wymiarowania nie jest spełniony, to koryguje się założenia (np. wymiary elementów, rozwiązanie konstrukcyjne i schematy statyczne, wytrzymałości materiałów) i obliczenia powtarza się.
Po wykonaniu omówionych etapów projektowania sporządza się opis techniczny oraz rysunki ustrojów konstrukcyjnych i ich elementów.
Obecnie ustroje konstrukcyjne i ich elementy wymiaruje się metodą stanów granicznych. Jako graniczne określono takie stany, po których osiągnięciu ustrój konstrukcyjny lub jego część przestaje spełniać zadania założone w projekcie. Rozróżniono przy tym dwie grupy stanów granicznych:
I – stany graniczne nośności,
II – stany graniczne użytkowania (najczęściej ugięć).
Sprawdzenie stanu granicznego nośności polega na wyznaczeniu miarodajnych przekrojów (fragmentów) ustroju konstrukcyjnego i wykazaniu, że występujące w nich siły wewnętrzne S od obliczeniowej wartości obciążeń Fd nie są większe od nośności R tych przekrojów, wynikającej z obliczeniowej wytrzymałości materiału fd konstrukcji.
Sprawdza się więc warunek S ( Fd ) R ( fd ).
Sprawdzenie stanu granicznego ugięć polega na wykazaniu, że występujące w ustroju konstrukcyjnym siły wewnętrzne od charakterystycznej wartości obciążeń nie powodują ugięć większych od uznawanych za dopuszczalne ze względu na przeznaczenie obiektu budowlanego, możliwość uszkodzenia elementów przylegających do konstrukcji, estetykę oraz poczucie bezpieczeństwa użytkowników. Sprawdza się więc warunek a adop . W niektórych konstrukcjach sprawdza się też inne stany graniczne użytkowania (np. rozwarcia rys w żelbecie).

Obciążenia w budownictwie
Obciążenia obiektów budowlanych lub ich części można – ze względu na czas ich trwania i sposób działania – podzielić na stałe, zmienne i wyjątkowe (akcydentalne).
Do obciążeń stałych należy ciężar własny stałych elementów i konstrukcji, w tym elementów nośnych i osłonowych, oraz ciężar własny gruntu w stanie rodzimym, nasypów i zasypów, i parcie z niego wynikające, a także siły sprężające konstrukcję.
Obciążenia zmienne dzieli się na technologiczne (zależne od funkcji obiektu i sposobu jego użytkowania) i środowiskowe (zależne od środowiska, w którym obiekt się znajduje). Mogą one być w całości długotrwałe (np. parcie wody o stałym poziomie jej zwierciadła), w części długotrwałe (np. obciążenia stropów w pomieszczeniach) lub w całości krótkotrwałe (np. obciążenia śniegiem lub wiatrem).
Do obciążeń wyjątkowych należą m.in. uderzenia pojazdami, obciążenia sejsmiczne, obciążenia spowodowane huraganowym wiatrem itp.
Obciążenia dzieli się też na statyczne i dynamiczne. Wartość obciążenia dynamicznego określa się mnożąc obciążenie statyczne przez współczynnik dynamiczny, którego wartość jest podawana w normach (np. PN-82/B-02003 i PN-82/B-02004).
Podczas projektowania należy ustalać obciążenia występujące w stadium eksploatacji i montażu, a w niezbędnych wypadkach także w stadium wykonywania, przechowywania (składowania) i transportu elementów konstrukcyjnych.
W obliczeniach ustrojów konstrukcyjnych i ich elementów bierze się pod uwagę charakterystyczną lub obliczeniową wartość obciążenia.
Wartość charakterystyczną obciążenia (zwana też normową) przyjmuje się według odpowiednich norm, a przede wszystkim: PN-82/B-02001 (obciążenia stałe), PN-82/B-02003 (obciążenia zmienne technologiczne i montażowe), PN-82/B-02004 (obciążenia pojazdami), PN-86/B-02005 (obciążenia suwnicami pomostowymi, wciągarkami i wciągnikami), PN-80/B-02010 (obciążenie śniegiem) i PN-77/B-02011 (obciążenie wiatrem), PN—87/B-02013 (obciążenie oblodzeniem), PN-88/B-02014 (obciążenie gruntem), PN-86/B-02015 (obciążenie temperaturą).
Wartości charakterystyczne ciężaru objętościowego niektórych materiałów budowlanych podano w tabl. 1-2, ciężaru jednostkowego (na jednostkę powierzchni) wybranych pokryć dachowych (z uwzględnieniem krokwi, łat, deskowań, płatwi) oraz podłóg i posadzek – w tabl. 1-3, ciężaru własnego konstrukcji stropów – w tabl. 1-4, a wybranych obciążeń zmiennych, działających na stropy, rozłożonych równomiernie, w tabl. 1-5.
Wartości obliczeniowe obciążenia ustala się mnożąc jego wartości charakterystyczne przez współczynniki obciążenia (częściowe współczynniki bezpieczeństwa) – według zależności:
F d = F k • f ,
w której: F d – wartość obliczeniowa obciążenia,
F k – wartość charakterystyczna obciążenia,
 f – współczynnik obciążenia; wartość tego współczynnika w odniesieniu
do wybranych obciążeń stałych i zmiennych podano w tabl. 1-1.

Jeżeli na ustrój konstrukcyjny lub jego elementy jednocześnie działają dwa lub kilka rodzajów obciążeń, to w obliczeniach uwzględnia się najbardziej niekorzystne ich kombinacje.

W obliczeniach stanów granicznych nośności wszelkich konstrukcji obowiązuje stosowanie kombinacji podstawowej obciążeń stałych i zmiennych, uszeregowanych według ich znaczenia, z przynależnymi do kolejnego miejsca wartościami współczynnika jednoczesności  o . Kombinację tę zapisuje się w postaci wzoru:
,
w którym: Gki , Qki – wartości charakterystyczne obciążeń stałych i zmiennych,
fi – współczynnik obciążenia,
oi – współczynnik jednoczesności obciążeń zmiennych; najważniejsze
(podstawowe) obciążenia zmienne mnoży się przez o = 1,0, drugie przez 0,9, trzecie przez 0,8, a pozostałe przez 0,7.
Jeżeli mogą wystąpić obciążenia wyjątkowe, to stosuje się kombinację wyjątkową (zgodnie z PN-82/B-02000).

W obliczeniach stanów granicznych użytkowania stosuje się kombinację podstawową obciążeń lub kombinację obciążeń długotrwałych. Współczynnik obciążenia przyjmuje się  f = 1,0, a więc uwzględnia się charakterystyczne wartości obciążeń.
Kombinacja podstawowa składa się ze wszystkich obciążeń stałych i jednego najniekorzystniejszego obciążenia zmiennego. Zapisuje się ja w postaci zależności:
.
Szczegółowe zasady ustalania wartości obciążeń w budownictwie są podane w PN-80/B-02000.
Obciążenia obiektów mostowych ustala się według PN-85/S-10030.

Kombinacja obciążeń długotrwałych, dotycząca konstrukcji, w odniesieniu do których ma znaczenie czas występowania obciążenia (a więc z żelbetu, drewna, tworzyw sztucznych), składa się ze wszystkich obciążeń stałych oraz części długotrwałych obciążeń zmiennych. Kombinację tę zapisuje się w postaci zależności:
,
przy czym wartość współczynnika  di należy ustalać wg PN-82/B-02003; np. w odniesieniu do obciążeń zmiennych w domach mieszkalnych, hotelach, schroniskach, pomieszczeniach sanitarnych itp. współczynnik wynosi d = 0,35 – w pomieszczeniach, klatkach schodowych i galeriach oraz d = 0,50 – w korytarzach.
Obciążenia podaje się najczęściej w kiloniutonach (siły skupionej), kiloniutonach na metr (obciążenie na jednostkę długości), kiloniutonach na metr kwadratowy (obciążenie na jednostkę powierzchni).