Отдельные элементы и конструкции зданий нужно выполнять из таких материалов и таких размеров, которые обеспечивают прочность, жесткость и устойчивость при их работе в здании под нагрузкой. Одновременно они должны быть экономичными в части затрат труда и материалов на их изготовление и монтаж. Для этого при проектировании зданий и разработке типовых элементов конструкций выполняют необходимые расчеты, в процессе которых определяют: все внешние силы, действующие на здание или его часть; внутренние силы (напряжения), возникающие в элементах зданий; .
минимальные размеры сечений отдельных частей сооружений с учетом механических свойств материалов, из которых здания возводят, с тем чтобы удовлетворить требования полной надежности и экономичности. В результате воздействия внешних сил все тела меняют форму и размеры.
Такие изменения называются деформациями. Если деформации после прекращения действия внешних сил исчезают, то они называются упругими.
Неисчезающие деформации называются остаточными или пластическими. В сооружениях остаточные деформации не допускаются.
Если мысленно рассечь какое-нибудь тело, находящееся под действием внешних сил в равновесии, то действие отсеченной части должно быть заменено действием внутренних сил, приложенных во всех точках сечения. Эти силы, отнесенные к площади сечения, называются внутренними напряжениями, обозначаются греческой буквой о (сигма) и равны силе, действующей на единицу площади поперечного сечения тела, т. е. Каждый материал обладает пределом прочности, при превышении которого тело разрушается, и пределом упругости, в границах которого тело при прекращении действия внешних сил восстанавливает свою первоначальную форму.
Воздействие внешних сил на тела вызывает в них (в основном) сжатие, растяжение, поперечный и продольный изгиб, сдвиг, срез, смятие и кручение.
При поперечном изгибе в верхней части изгибаемого элемента, положенного своими концами на две опоры, возникает сжатие, а в нижней части — растяжение.
Между этими зонами проходит нейтральная линия, где волокна материала не испытывают ни сжатия, ни растяжения. Наиболее напряженными и наиболее деформированными являются крайние волокна.
При работе на изгиб в элементе возникает также явление сдвига, так как отдельные слои по мере удаления от нейтральной оси больше деформируются и, следовательно, каждый последующий слой сдвигается относительно предыдущего. Сдвиг возникает также в конструкции при стремлении внешних сил сдвинуть одну часть конструкции относительно другой.
Продольный изгиб (выпучивание) вызывается действием продольной сжимающей силы на сравнительно тонкий длинный элемент.
Такие элементы при расчете проверяют на устойчивость.
Кручение конструкции может возникнуть от действия на нее пары сил, расположенных в плоскости, перпендикулярной ее оси или от эксцентрично (по отношению к оси элемента) приложенной нагрузки.
В местах непосредственного приложения сил к элементам конструкций возникают напряжения смятия.
При расчете конструкций размеры их сечений принимают такими, чтобы наибольшие напряжения, возникающие в них под действием внешних сил, не превосходили определенного безопасного предела, а деформации были упругими. В настоящее время расчет конструкций проводится по предельным состояниям.
Состояния, при которых конструкции перестают удовлетворять требованиям нормальной эксплуатации, называются предельными состояниями.
Госстрой утвердил обязательные «Строительные нормы и правила» (сокращенно СНиП), по которым при расчете принимаются значения нагрузок для определения внешних сил, действующих на здание в целом или на отдельные конструкции, а также пределы прочности для разных видов материалов.
Нагрузки, предусмотренные нормами, называются нормативными, а пределы прочности — нормативными сопротивлениями материалов. Предусматривают три вида расчетных предельных состояния: по несущей способности (прочности, устойчивости, выносливости) ; по деформациям и перемещениям, при которых нельзя нормально эксплуатировать конструкции, хотя они еще обладают достаточной прочностью и устойчивостью (например, слишком большие прогибы, искривления и т. п.); по трещиностойкости, т. е. недопущению образования трещин, из-за которых при достаточной прочности и устойчивости сооружения их нельзя нормально эксплуатировать (например, в резервуарах для жидкостей).
При проектировании и расчете конструкций зданий и сооружений требуемая надежность и необходимая гарантия от возникновения предельных состояний конструкций обеспечиваются учетом возможной минимальной прочности материалов, условий и особенностей действительной работы материалов конструкций и их соединений и возможных наибольших нагрузок и воздействий на проектируемые конструкции. Возможные изменения сопротивлений материалов в меньшую сторону по сравнению с нормативными, вызываемые неоднородностью материалов, учитываются коэффициентами однородности.
Условия и особенности действительной работы материалов конструкций и их соединений, а также зданий и сооружений в целом учитываются коэффициентом условий работы.
Учитывая это, сопротивления материалов, принимаемые в расчетах, определяются произведением нормативных сопротивлений на соответствующие коэффициенты однородности и в необходимых случаях на коэффициенты условий работы. Возможные наибольшие отклонения нагрузок и воздействий на проектируемые конструкции в неблагоприятную сторону от их нормативных значений учитываются коэффициентами перегрузки и путем умножения нормативной нагрузки на этот коэффициент.
Полученное значение нагрузки называют расчетной и обозначают буквой.
Значения расчетных сопротивлений и нагрузок, а также коэффициентов однородности, условий работы и перегрузки приводятся в нормах проектирования, помещенных в СНиП, и являются обязательными при проектировании.