Dane adresowe
 Biuro Ekspertyz TMG Sp. z.o.o.
ul. Rynek 3E/2.
32-540 Trzebinia Polska

Godziny pracy
Pon - Pt: 07:00 - 15:00
Sb-Ndz: nieczynne

Stan graniczny nośności (SGN) – zasady oceny bezpieczeństwa konstrukcji

Spis treści

Wstęp

Bezpieczeństwo konstrukcji oznacza zapewnienie jej odpowiedniej nośności, użytkowalności i trwałości w całym założonym okresie użytkowania. PN-EN 1990 – „Podstawy projektowania konstrukcji” wskazuje, że konstrukcja powinna być zaprojektowana i wykonana tak, aby spełniała te wymagania przy uwzględnieniu przewidywanych oddziaływań.

 

Sama obserwacja pęknięć, zarysowań czy deformacji nie pozwala jednak jednoznacznie stwierdzić, że konstrukcja utraciła bezpieczeństwo. Zgodnie z normą ocenę stanów granicznych należy przeprowadzić na podstawie odpowiednich informacji o konstrukcji, oddziaływaniach i jej właściwościach.

Stan graniczny nośności (SGN) odnosi się do stanów związanych z bezpieczeństwem konstrukcji, w szczególności z utratą jej nośności lub stateczności. PN-EN 1990 wyróżnia m.in. stany EQU, STR, GEO i FAT.

Analiza SGN ma znaczenie zarówno przy projektowaniu nowych obiektów, jak i przy przebudowie, modernizacji oraz ocenie istniejących konstrukcji. Weryfikacja opiera się na porównaniu efektów oddziaływań obliczeniowych z obliczeniową nośnością konstrukcji, zgodnie z warunkiem (1).

Ed ≤ Rd

Gdzie:

Ed – wartość obliczeniowa efektu oddziaływań, takiego jak siła wewnętrzna, moment lub wektor, reprezentujący kilka sił wewnętrznych lub momentów,

Rd – wartość obliczeniowa efektu oddziaływań, takiego jak siła wewnętrzna, moment lub wektor, reprezentujący kilka sił wewnętrznych lub momentów;

Czym jest stan graniczny nośności (SGN)?

Stan graniczny a wymagania dotyczące konstrukcji

PN-EN 1990 rozróżnia stany graniczne nośności (SGN) oraz stany graniczne użytkowalności (SGU). SGN dotyczą bezpieczeństwa konstrukcji, natomiast SGU odnoszą się do wymagań związanych z jej prawidłowym użytkowaniem.

SGN a bezpieczeństwo konstrukcji

Stan graniczny nośności obejmuje sytuacje związane m.in. z utratą równowagi, zniszczeniem lub nadmiernym odkształceniem konstrukcji albo jej elementów oraz utratą nośności podłoża.

Ocena SGN polega na sprawdzeniu, czy konstrukcja zachowuje wymaganą zdolność do przenoszenia oddziaływań.

Rodzaje stanów granicznych nośności

PN-EN 1990 w punkcie 6.4.1 wyróżnia cztery podstawowe rodzaje stanów granicznych nośności: EQU, STR, GEO oraz FAT. Każdy z nich odnosi się do innego mechanizmu mogącego mieć wpływ na bezpieczeństwo konstrukcji.

EQU – utrata równowagi statycznej konstrukcji

Stan EQU dotyczy utraty równowagi statycznej konstrukcji lub jej części, rozpatrywanej jako ciało sztywne. Może mieć znaczenie m.in. w przypadku konstrukcji podatnych na przewrócenie, przesunięcie lub utratę równowagi pod wpływem działających oddziaływań.

STR – Zniszczenie wewnętrzne lub nadmierne odkształcenia konstrukcji lub elementów konstrukcji,

Stan STR odnosi się do zniszczenia lub nadmiernego odkształcenia konstrukcji albo jej elementów, gdy decydujące znaczenie mają właściwości materiałów i elementów konstrukcyjnych. Weryfikacja może dotyczyć m.in. belek, słupów, płyt, ścian czy innych elementów konstrukcji.

GEO – Zniszczenie lub nadmierne odkształcenie podłoża, kiedy istotne znaczenie dla nośności konstrukcji ma wytrzymałość podłoża lub skały

Stan GEO związany jest z podłożem gruntowym. Jego wystąpienie może prowadzić do utraty wymaganej nośności lub nadmiernych odkształceń podłoża, a w konsekwencji wpływać na bezpieczeństwo konstrukcji, np. poprzez niekorzystne zachowanie fundamentów.

FAT – Zniszczenie zmęczeniowe konstrukcji lub elementu konstrukcji

Stan FAT dotyczy zniszczenia konstrukcji lub jej elementów wskutek oddziaływań zmęczeniowych. Szczególne znaczenie ma tutaj wielokrotne lub cykliczne występowanie obciążeń, które może prowadzić do stopniowego rozwoju uszkodzeń i zmniejszenia trwałości elementu.

Takie rozróżnienie pozwala właściwie określić mechanizm utraty nośności, który należy uwzględnić podczas analizy bezpieczeństwa konstrukcji.

Oddziaływania uwzględniane przy sprawdzaniu SGN

Prawidłowa ocena stanu granicznego nośności wymaga określenia wszystkich istotnych oddziaływań działających na konstrukcję. PN-EN 1990 rozróżnia m.in. oddziaływania stałe, zmienne, wyjątkowe, sejsmiczne i geotechniczne, a także oddziaływania dynamiczne i środowiskowe. Norma definiuje również ich wartości charakterystyczne, reprezentatywne i obliczeniowe.

Oddziaływania stałe (G)

Są to oddziaływania, których zmienność w czasie jest niewielka lub pomijalna. Należą do nich przede wszystkim ciężar własny konstrukcji i elementów trwale z nią związanych, a także inne stałe obciążenia wynikające z wyposażenia stałego lub warstw konstrukcyjnych.

Oddziaływania zmienne (Q)

Ich wielkość lub kierunek mogą zmieniać się w czasie. Przykładami są obciążenia użytkowe, śnieg, wiatr czy oddziaływania wynikające ze sposobu użytkowania obiektu.

Oddziaływania wyjątkowe (A)

Są to oddziaływania o zazwyczaj krótkim czasie trwania, ale potencjalnie znaczących skutkach, których wystąpienia nie można całkowicie wykluczyć. Norma wskazuje tutaj m.in. sytuacje związane z uderzeniem, pożarem, wybuchem czy lokalnym uszkodzeniem konstrukcji.

Oddziaływania sejsmiczne (AE) i geotechniczne

W określonych przypadkach należy uwzględnić również oddziaływania sejsmiczne oraz oddziaływania związane z gruntem, wodą gruntową i warunkami podłoża. Mają one szczególne znaczenie przy ocenie fundamentów oraz stateczności całego obiektu.

Oddziaływania dynamiczne i środowiskowe

Konstrukcja może być również poddana oddziaływaniom dynamicznym, czyli takim, których znaczenie zależy od czasu i sposobu ich przyłożenia. 

Norma rozróżnia także oddziaływania środowiskowe oraz quasi-statyczne, które mogą być odpowiednio odwzorowane w modelu obliczeniowym.

Wartości oddziaływań stosowane w obliczeniach

Dla potrzeb sprawdzania SGN istotne jest rozróżnienie kilku wartości oddziaływań między innymi:

Rodzaj wartości

Znaczenie

Wartość charakterystyczna

Podstawowa wartość reprezentująca dane oddziaływanie

Wartość reprezentatywna

Wartość wykorzystywana przy określaniu efektów oddziaływań
w odpowiedniej sytuacji obliczeniowej

Wartość obliczeniowa

Wartość przyjmowana bezpośrednio do sprawdzenia
konstrukcji, z uwzględnieniem odpowiednich współczynników

Wartość kombinacyjna

Wartość uwzględniająca jednoczesne występowanie
odpowiednich oddziaływań

PN-EN 1990 podkreśla również znaczenie kombinacji oddziaływań – przy sprawdzaniu SGN nie analizuje się zazwyczaj pojedynczego obciążenia w oderwaniu od pozostałych, lecz odpowiednio zestawione oddziaływania dla określonej sytuacji obliczeniowej.

Podsumowanie

Stan graniczny nośności (SGN) jest jednym z podstawowych elementów oceny bezpieczeństwa konstrukcji. Jego sprawdzenie pozwala określić, czy w określonej sytuacji obliczeniowej konstrukcja lub jej elementy zachowują wymaganą nośność i stateczność pod wpływem przyjętych oddziaływań.

Ocena SGN wymaga uwzględnienia rodzaju oddziaływań, ich wartości oraz odpowiednich kombinacji, a także właściwości materiałów, warunków podparcia i pracy całego układu konstrukcyjnego. W zależności od analizowanego przypadku sprawdzeniu mogą podlegać m.in. utrata równowagi konstrukcji (EQU), wyczerpanie nośności elementów (STR), problemy związane z podłożem gruntowym (GEO) oraz zniszczenie zmęczeniowe (FAT).

Prawidłowo przeprowadzona ocena SGN pozwala więc nie tylko określić aktualny poziom bezpieczeństwa konstrukcji, ale również wskazać przyczyny występujących problemów, zakres niezbędnych działań naprawczych oraz możliwość dalszego bezpiecznego użytkowania obiektu.

Literatura

  1. PN-EN 1990:2004, Eurokod 0 – Podstawy projektowania konstrukcji, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa, 2004. 
Oraz dodatkowo:
  1. PN-EN 1991, Eurokod 1 – Oddziaływania na konstrukcje, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa, 2004. 
  2. PN-EN 1992, Eurokod 2 – Projektowanie konstrukcji z betonu, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa, 2008
  3. PN-EN 1993, Eurokod 3 – Projektowanie konstrukcji stalowych, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa, 2006. 
  4. PN-EN 1996, Eurokod 6 – Projektowanie konstrukcji murowych, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa, 2010.
  5. PN-EN 1997, Eurokod 7 – Projektowanie geotechniczne, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa, 2008

FAQ – najczęściej zadawane pytania

Czym jest stan graniczny nośności (SGN)?

SGN to stan, którego przekroczenie oznacza osiągnięcie przez konstrukcję lub jej element poziomu, przy którym nie są już spełnione wymagania dotyczące bezpieczeństwa, nośności lub stateczności.

Jakie rodzaje SGN wyróżnia PN-EN 1990?

W normie wyróżniono cztery podstawowe kategorie stanów granicznych nośności: EQU – utrata równowagi, STR – zniszczenie lub nadmierne odkształcenie konstrukcji, GEO – zniszczenie lub nadmierne odkształcenie podłoża oraz FAT – zniszczenie zmęczeniowe.

Jakie oddziaływania należy uwzględnić przy sprawdzaniu SGN?

W zależności od analizowanego przypadku uwzględnia się m.in. oddziaływania stałe, zmienne, wyjątkowe, sejsmiczne oraz geotechniczne, a także odpowiednie efekty dynamiczne i środowiskowe.

Stan graniczny nośności SGN – ocena bezpieczeństwa konstrukcji zgodnie z zasadami projektowania konstrukcji