Нагрузки разделение по видам и характеру действия. Глоссарий. Классификация внешних нагрузок, действующих на элементы конструкций. Плотность основных строительных материалов

При строительстве зданий очень важно учитывать степень воздействия внешних факторов на его конструкцию. Практика показывает, что пренебрежение данным фактором может привести к трещинам, деформациям и разрушениям строительных конструкций. В данной статье будет рассмотрена подробная классификация нагрузок на строительные конструкции.

Общие сведения

Все воздействия на конструкцию, независимо от их классификации, имеют два значения: нормативное и расчетное. Нагрузки, которые возникают под весом самой конструкции, называют постоянными, так как они непрерывно воздействуют на здание. Временными признаются воздействия на конструкцию природных условий (ветер, снег, дождь и т. д.), вес, распределяющийся на перекрытия здания от скопления большого количества людей и т. д. То есть временные нагрузки - это нагрузки на сооружение, которые в течение какого-либо промежутка могут менять свои значения.

Нормативные значения постоянных нагрузок от веса конструкции рассчитывают исходя из проектных замеров и характеристик, используемых при строительстве материалов. Расчётные значения определяют с помощью нормативных нагрузок с возможными отклонениями. Отклонения могут появиться в результате изменений исходных размеров конструкции или при несоответствии планируемой и фактической плотности материалов.

Классификация нагрузок

Для того чтобы рассчитать степень воздействия на сооружение, необходимо знать его природу. Виды нагрузок определяются по одному основному условию - продолжительности воздействия нагрузки на сооружения. Классификация нагрузок включает в себя:

• постоянные;
• временные:
  • длительные;
  • кратковременные.
• особые.

Каждый пункт, который включает в себя классификация нагрузок конструкции стоит рассмотреть по отдельности.

Постоянные нагрузки

Как уже упоминалось ранее, к постоянным нагрузкам относят воздействия на сооружение, которое осуществляется непрерывно в течение всего периода эксплуатации здания. Как правило, к ним относят вес самой конструкции. Допустим, для ленточного типа основания здания постоянной нагрузкой будет являться вес всех его элементов, а для фермы перекрытия - вес его поясов, стоек, раскосов и всех соединительных элементов.

Стоит учитывать, что для каменных и железобетонных конструкций постоянные нагрузки могут составлять больше 50% от расчётной нагрузки, а для деревянных и металлических элементов это значение, обычно, не превышает 10%.

Временные нагрузки

Временные нагрузки бывают двух видов: длительные и кратковременные. К длительным нагрузкам на конструкцию относят:

• вес специализированного оборудования и инструмента (станков, аппаратов, конвейеров и т.д.);
• нагрузка, возникающая при возведении временных перегородок;
• вес другого содержимого, находящегося на складах, чердаках, отсеках архивах здания;
• давления содержимого трубопроводов подведенных и находящихся в здании; тепловые воздействия на конструкцию;
• вертикальные нагрузки от мостовых и подвесных кранов; вес природных осадков (снега) и т.д.

• вес персонала, инструмента и оборудования при проведении работ по ремонту и обслуживанию здания;
• нагрузки от людей и животных на перекрытие в жилых помещениях;
• вес электрокаров, погрузчиков в производственных складах и помещениях;
• природные нагрузки на конструкцию (ветер, дождь, снег, гололед).

Особые нагрузки

Особые нагрузки имеют кратковременный характер. В отдельный пункт классификации особые нагрузки относят, так как вероятность их возникновения ничтожно мала. Но все же их стоит учитывать при возведении строительной конструкции. К ним относят:

• нагрузки на здание вследствие стихийных бедствий и аварийных ситуаций;
• нагрузки, возникшей вследствие поломки или неисправности оборудования;
• нагрузки на конструкцию, возникшие вследствие деформации грунта или основания конструкции.

Классификация нагрузок и опор

Опора - это элемент конструкции, который воспринимает на себя внешние силы. Существуют три вида опор в балочных системах:

1. Шарнирно-неподвижная опора. Фиксация конечной части балочной системы, при которой она может поворачиваться, но не может перемещаться.
2. Шарнирно-подвижная опора. Это такое устройство, в котором конец балки может поворачиваться и перемещаться по горизонтали, но при этом по вертикали балка остается неподвижной.
3. Жесткая заделка. Это жесткое закрепление балки, при котором она не может ни переворачиваться, ни перемещаться.

В зависимости от того, как распределяется нагрузка на балочные системы, классификация нагрузок включает в себя сосредоточенные и распределенные нагрузки. Если воздействие на опору балочной системы приходится в одну точку или на очень малую площадь опоры, то ее называют сосредоточенной. Распределенная же нагрузка воздействует на опору равномерно, по всей ее площади.

Классификация Внешних Сил (Нагрузок) Сопромат

Внешние силы в сопромате делятся на активные и реактивные (реакции связей).Нагрузки – это активные внешние силы.

Нагрузки по способу приложения

По способу приложения нагрузки бывают объемными (собственный вес, силы инерции), действующими на каждый бесконечно малый элемент объема, и поверхностными. Поверхностные нагрузки делятся на сосредоточенные нагрузки и распределенные нагрузки .

Распределенные нагрузки характеризуются давлением - отношением силы, действующей на элемент поверхности по нормали к ней, к площади данного элемента и выражаются в Международной системе единиц (СИ) в паскалях, мегапаскалях (1 ПА = 1 Н/м2; 1 МПа = 106 Па) и т.д., а в технической системе – в килограммах силы на квадратный миллиметр и т.д. (кгс/мм2, кгс/см2).

В сопромате часто рассматриваются поверхностные нагрузки , распределенные по длине элемента конструкции. Такие нагрузки характеризуются интенсивностью, обозначаемой обычно q и выражаемой в ньютонах на метр (Н/м, кН/м) или в килограммах силы на метр (кгс/м, кгс/см) и т.д.

Нагрузки по характеру изменения во времени

По характеру изменения во времени выделяют статические нагрузки - нарастающие медленно от нуля до своего конечного значения и в дальнейшем не изменяющиеся; и динамические нагрузки вызывающие большие силы инерции.

Допущения сопромата

Допущения Сопромата Сопромат

При построении теории расчета на прочность, жесткость и устойчивостьпринимаются допущения, связанные со свойствами материалов и с деформацией тела.

Допущения, связанные со свойствами материалов

Сначала рассмотрим допущения, связанные со свойствами материалов :

допущение 1 : материал считается однородным (его физико-механические свойства считаются одинаковыми во всех точках;

допущение 2 : материал полностью заполняет весь объем тела, без каких-либо пустот (тело рассматривается как сплошная среда). Это допущение дает возможность применять при исследовании напряженно-деформированного состояния тела методы дифференциального и интегрального исчислений, которые требуют непрерывности функции в каждой точке объема тела;

допущение 3 : материал изотропный, то есть его физико-механические свойства в каждой точке одинаковы во всех направлениях. Анизотропные материалы – физико-механические свойства которых изменяются в зависимости от направления (например, дерево);

допущение 4 : материал является идеально упругим (после снятия нагрузки все деформации полностью исчезают).

Допущения, связанные с деформацией

Теперь рассмотрим основные допущения, связанные с деформацией тела .

допущение 1 : деформации считаются малыми. Из этого допущения следует, что при составлении уравнений равновесия, а также при определении внутренних сил можно не учитывать деформацию тела. Это допущение иногда называют принципом начальных размеров. Например, рассмотрим стержень, заделанный одним концом в стену и нагруженный на свободном конце сосредоточенной силой (рис. 1.1).

Момент в заделке, определенный из соответствующего уравнения равновесия методом теоретической механики, равен: . Однако прямолинейное положение стержня не является его положением равновесия. Под действием силы (P) стержень изогнется, и точка приложения нагрузки сместится и по вертикали, и по горизонтали. Если записать уравнение равновесия стержня для деформированного (изогнутого) состояния, то истинный момент, возникающий в заделке, окажется равным: . Принимая допущение о малости деформаций, мы полагаем, что перемещением (w) можно пренебречь по сравнению с длиной стержня (l), то есть , тогда . Допущение возможно не для всех материалов.

допущение 2 : перемещения точек тела пропорциональны нагрузкам, вызывающим эти перемещения (тело является линейно деформируемым). Для линейно деформируемых конструкций справедлив принцип независимости действия сил (принцип суперпозиции ): результат действия группы сил не зависит от последовательности нагружения ими конструкции и равен сумме результатов действия каждой из этих сил в отдельности. В основе этого принципа лежит также предположение об обратимости процессов нагрузки и разгрузки.

Как показывает практика, тема сбора нагрузок вызывает наибольшее количество вопросов у молодых инженеров, начинающих свою профессиональную деятельность. В данной статье хочу рассмотреть, что такое постоянные и временные нагрузки, чем длительные нагрузки отличаются от кратковременных и для чего такое разделение необходимо и т.п.

Классификация нагрузок по продолжительности действия.

В зависимости от продолжительности действия нагрузки и воздействия делятся на постоянные и временные . Временные нагрузки в свою очередь подразделяются на длительные, кратковременные и особые .

Как следует из самого названия, постоянные нагрузки действуют на всем протяжении эксплуатации. Временные нагрузки проявляются в отдельные периоды строительства или эксплуатации.

относятся: собственный вес несущих и ограждающих конструкций, вес и давление грунтов. В случае применения в проекте конструкций заводского изготовления (ригели, плиты, блоки и т.п.), нормативное значение их веса определяется на основании стандартов, рабочих чертежей или паспортных данных заводов — изготовителя. В прочих случаях вес конструкций и грунтов определяется по проектным данным на основании их геометрических размеров как произведение их плотности ρ на объем V с учетом их влажности в условиях возведения и эксплуатации сооружений.

Ориентировочные плотности некоторых основных материалов приведены в табл. 1. Ориентировочные веса некоторых рулонных и отделочных материалов приведены в табл. 2.

Таблица 1

Плотность основных строительных материалов

Материал	Плотность, ρ, кг/м3
Бетон: — тяжелый — ячеистый	2400 400-600
Гравий	1800
Дерево	500
Железобетон	2500
Керамзитобетон	1000-1400
Кирпичная кладка на тяжелом растворе: — из полнотелого керамического кирпича — из пустотелого керамического кирпича	1800 1300-1400
Мрамор	2600
Мусор строительный	1200
Песок речной	1500-1800
Раствор цементно — песчаный	1800-2000
Минераловатные теплоизоляционные плиты: — неподвергающиеся нагрузке — для теплоизоляции железобетонных покрытий — в системах вентилируемого фасада — для теплоизоляции наружных стен с последующим оштукатуривание	35-45 160-190 90 145-180
Штукатурка	1200

Таблица 2

Вес рулонных и отделочных материалов

Материал	Вес, кг/м2
Битумная черепица	8-10
Гипсокартонный лист толщиной 12,5 мм	10
Керамическая черепица	40-51
Ламинат толщиной 10 мм	8
Металлочерепица	5
Паркет дубовый: — толщиной 15 мм — толщиной 18 мм — толщиной 22 мм	11 13 15,5
Рулонная кровля (1 слой)	4-5
Сэндвич — панель кровельная: — толщиной 50 мм — толщиной 100 мм — толщиной 150 мм — толщиной 200 мм — толщиной 250 мм	16 23 29 33 38
Фанера: — толщиной 10 мм — толщиной 15 мм — толщиной 20 мм	7 10,5 14

Временные нагрузки подразделяются на длительные, кратковременные и особые.

относятся:

— нагрузка от людей, мебели, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий с пониженными нормативными значениями;

— нагрузки от автотранспорта с пониженными нормативными значениями;

— вес временных перегородок, подливок и подбетонок под оборудование;

— снеговые нагрузки с пониженными нормативными значениями;

— вес стационарного оборудования (станки, моторы, емкости, трубопроводы, жидкости и твердые тела, заполняющие оборудование);

— давление газов, жидкостей и сыпучих тел в емкостях и трубопроводах, избыточное давление и разряжение воздуха, возникающее при вентиляции шахт;

— нагрузки на перекрытия от складируемых материалов и стелажного оборудования в складских помещениях, холодильниках, зернохранилищах, книгохранилищах, архивах подобных помещениях;

— температурные технологические воздействия от стационарного оборудования;

— вес слоя воды на водонаполненных плоских покрытиях;

— вертикальные нагрузки от мостовых и подвесных кранов с пониженным нормативным значением, определяемым умножением полного нормативного значения вертикальной нагрузки от одного крана в каждом пролете здания на коэффициент:

0,5 — для групп режимов работы кранов 4К-6К;

0,6 — для группы режима работы кранов 7К;

0,7 — для группы режима работы кранов 8К.

Группы режимов кранов принимаются по ГОСТ 25546.

относятся:

— вес людей, ремонтных материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования с полными нормативными значениями;

— нагрузки от автотранспорта с полными нормативными значениями;

— снеговые нагрузки с полными нормативными значениями;

— ветровые и гололедные нагрузки;

— нагрузки от оборудования, возникающие в пускоостановочном, переходном и испытательном режимах, а также при его перестановке или замене;

— температурные климатические воздействия с полным нормативным значением;

— нагрузки от подвижного подъемно — транспортного оборудования (погрузчиков, электрокаров, кранов — штабелеров, тельферов, а также от мостовых и подвесных кранов с полным нормативным значением).

относятся:

— сейсмические воздействия;

— взрывные воздействия;

— нагрузки, вызываемые резкими нарушениями технологического процесса, временной неисправностью или поломкой оборудования;

— воздействия, обусловленные деформациями основания, сопровождающимися коренным изменением структуры грунта (при замачивании просадочных грунтов) или оседанием его в районах горных выработок и в карстовых.

Основные понятия технической механики

Современное производство, определяющееся высокой механизацией и автоматизацией, предлагает использование большого количества разнообразных машин, механизмов, приборов и других устройств. Конструирование, изготовление, эксплуатация машин невозможна без знаний в области механики.

Техническая механика – дисциплина, вмещающая в себя основные механические дисциплины: теоретическую механику, сопротивление материалов, теорию машин и механизмов, детали машин и основы конструирования.

Основными задачами в технике являются обеспечения прочности, жесткости , устойчивости инженерных конструкций, деталей машин и приборов.

Сопротивлением материалов – это наука, в которой изучаются принципы и методы расчетов на прочность, жесткость и устойчивость.

Прочность – это способность конструкции в определенных пределах выдерживать внешние нагрузки без разрушения.

Жесткость – это способность конструкции в определенных пределах воспринимать действие внешних нагрузок без изменения геометрических размеров (не деформируясь).

Устойчивость – это способность конструкции сохранять свою форму и равновесие в нагруженном состоянии, а так же самостоятельно восстанавливать первоначальное состояние после того, как ей было дано некоторое отклонение от состояния равновесия.

Кроме указанных требований конструкция должна быть экономичной, ее масса и габариты должны быть минимальными. Для этого она должна иметь рациональную форму и размеры.

Классификация нагрузок

Различают внешние и внутренние силы и моменты сил.

Внешними силами (P ) называются силы, действующие на точки (тела) данной системы со стороны материальных точек (тел), не принадлежащих этой системе. Внешние силы (нагрузка) – это активные силы и реакции связи.

Внутренними силами (Q ) называют силы взаимодействия между точками (телами) данной системы. Они действуют и в отсутствии внешних нагрузок. При действии на тело внешних сил возникают дополнительные внутренние силы , сопровождающие деформацию. Эти силы сопротивляются стремлению внешних сил изменить форму тела или отделить одну часть от другой. Мы будем изучать только дополнительные внутренние силы.

По способу приложения нагрузки делятся на:

1) объемные – распределенные по объему тела и приложенные к каждой его частице (собственный вес конструкции, силы магнитного взаимодействия);

2) поверхностные – приложенные к участкам поверхности и характеризующие непосредственное контактное взаимодействие объекта с окружающими телами:

а) сосредоточенные (P 1 ) – нагрузки, действующие по площадке, размеры которой малы по сравнению с размерами самого элемента конструкции (давление обода колеса на рельс);

б)распределенные (P 2 )– нагрузки, действующие по площадке (или длине), размеры которой не малы по сравнению с размерами самого элемента конструкции (гусеницы трактора давят на балку моста).

Распределенные нагрузки характеризуются интенсивностью q [Н/м ] или [Н/м 2 ]. Если q – интенсивность нагрузки, распределенной вдоль элемента длиной a , то

Если q – const, ее можно вынести за знак интеграла, тогда получим:

P 2 = q ∙ a .

Нагрузки могут быть постоянными и временными. Постоянные действуют всегда или в течение достаточно длительного времени (например, собственный вес конструкции). Временные действуют эпизодически (например, давление ветра).

По характеру действия нагрузки делятся на:

1.статические – прикладывается медленно, возрастая от нуля до конечного значения, и не изменяются;

2.динамические – изменяют величину или направление за короткий промежуток времени и сопровождаются появлением ускорений элементов конструкций. К ним относятся:

а) внезапные нагрузки– действуют сразу на полную силу (колесо локомотива, заезжающего на мост),

б) ударные нагрузки – действуют на протяжении короткого времени (дизель-молот),

в) циклические нагрузки – действуют периодически(нагрузка на зубья зубчатого колеса).

1.4. В зависимости от продолжительности действия нагрузок следует различать постоянные и временные (длительные, кратковременные, особые) нагрузки.

1.5. Нагрузки, возникающие при изготовлении, хранении и перевозке конструкций, а также при возведении сооружений, следует учитывать в расчетах как кратковременные нагрузки.

Нагрузки, возникающие на стадии эксплуатации сооружений, следует учитывать в соответствии с пп.1.6-1.9.

а) вес частей сооружений, в том числе вес несущих и ограждающих строительных конструкций;

б) вес и давление грунтов (насыпей, засыпок), горное давление.

Сохраняющиеся в конструкции или основании усилия от предварительного напряжения следует учитывать в расчетах как усилия от постоянных нагрузок.

а) вес временных перегородок, подливок и подбетонок под оборудование;

б) вес стационарного оборудования: станков, аппаратов, моторов, емкостей, трубопроводов с арматурой, опорными частями и изоляцией, ленточных конвейеров, постоянных подъемных машин с их канатами и направляющими, а также вес жидкостей и твердых тел, заполняющих оборудование;

в) давление газов, жидкостей и сыпучих тел в емкостях и трубопроводах, избыточное давление и разрежение воздуха, возникающее при вентиляции шахт;

г) нагрузки на перекрытия от складируемых материалов и стеллажного оборудования в складских помещениях, холодильниках, зернохранилищах, книгохранилищах, архивах и подобных помещениях;

д) температурные технологические воздействия от стационарного оборудования;

е) вес слоя воды на водонаполненных плоских покрытиях;

ж) вес отложений производственной пыли, если ее накопление не исключено соответствующими мероприятиями;

з) нагрузки от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий с пониженными нормативными значениями, приведенными в табл. 3;

и) вертикальные нагрузки от мостовых и подвесных кранов с пониженным нормативным значением, определяемым умножением полного нормативного значения вертикальной нагрузки от одного крана (см. п. 4.2) в каждом пролете здания на коэффициент: 0,5 - для групп режимов работы кранов 4К-6К; 0,6 - для группы режима работы кранов 7К; 0,7 - для группы режима работы кранов 8К. Группы режимов работы кранов принимаются по ГОСТ 25546 - 82;

к) снеговые нагрузки с пониженным нормативным значением, определяемым умножением полного нормативного значения в соответствии с указаниями п. 5.1 на коэффициент: 0,3 - для III снегового района: 0,5 - для IV района; 0,6 - для V и VI районов;

л) температурные климатические воздействия с пониженными нормативными значениями, определяемыми в соответствии с указаниями пп. 8.2 - 8.6 при условии =
=
=
=
=0,
=
= 0;

м) воздействия, обусловленные деформациями основания, не сопровождающимися коренным изменением структуры грунта, а также оттаиванием вечномерзлых грунтов;

н) воздействия, обусловленные изменением влажности, усадкой и ползучестью материалов.

а) нагрузки от оборудования, возникающие в пускоостановочном, переходном и испытательном режимах, а также при его перестановке или замене;

б) вес людей, ремонтных материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования;

в) нагрузки от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий с полными нормативными значениями, кроме нагрузок, указанных в п. 1.7,а,б,г,д;

г) нагрузки от подвижного подъемно-транспортного оборудования (погрузчиков, электрокаров, кранов-штабелеров, тельферов, а также от мостовых и подвесных кранов с полным нормативным значением);

д) снеговые нагрузки с полным нормативным значением;

е) температурные климатические воздействия с полным нормативным значением;

ж) ветровые нагрузки;

з) гололедные нагрузки.

а) сейсмические воздействия;

б) взрывные воздействия;

в) нагрузки, вызываемые резкими нарушениями технологического процесса, временной неисправностью или поломкой оборудования;

г) воздействия, обусловленные деформациями основания, сопровождающимися коренным изменением структуры грунта (при замачивании просадочных грунтов) или оседанием его в районах горных выработок и в карстовых.