Классификация внешних нагрузок, действующих на элементы конструкций.
Общая классификация элементов конструкций.
Технические объекты и сооружения состоят из отдельных частей и элементов, которые отличаются большим разнообразием по форме, размерам, другим параметрам и характеристикам. С позиций инженерных расчетов принято различать четыре основных группы элементов конструкций: стержни, пластины, оболочки, массивы.
Стержни – это прямые или криволинейные элементы конструкций, у которых один размер (длина) значительно превышает два другие размера (в пространственной ортогональной системе координат), см. рисунок 20. Примеры элементов конструкций типа стержней: ножки стула или стола, колонна строительной конструкции, канат грузоподъемной машины, рычаг переключения коробки перемены передач автомобиля и др.
Z Кривой стержень
Прямой стержень
Рисунок 20. Схемы элементов конструкций типа стержней
t (толщина пластины)
Рисунок 21. Схема элемента конструкции типа пластины
Рисунок 22. Схема элемента конструкции типа оболочки (цилиндрической)
Рис. 23. Схема элемента конструкции типа массива
Пластины – это плоские элементы конструкций, у которых один размер (толщина) значительно меньше двух других. Примеры пластин: крышка стола; стены и потолочные перекрытия зданий и др., см. рисунок 21, из которого видно что толщина пластины значительно меньше двух размеров ее в плане.
Оболочки – это неплоские тонкостенные элементы конструкций, у которых один размер (толщина стенок) значительно меньше других размеров. Примеры оболочек: трубопроводы для транспортировки жидких и газообразных продуктов (цилиндрические оболочки); цилиндрические, сферические или комбинированные емкости для жидкостей; конические бункеры для сыпучих материалов; неплоские покрытия различных сооружений и др., см. рисунок 22, где показана цилиндрическая оболочка (тонкостенная цилиндрическая труба), у которой толщина стенки значительно меньше ее диаметра и длины.
Массивы – это элементы конструкций, у которых все три размера соизмеримы. Примеры массивов: фундаментные блоки станков, машин и строительных конструкций; массивные опоры мостов и др., см. рисунок 23.
В курсах «Инженерная механика» и «Сопротивление материалов» наибольшее внимание уделяется основополагающему изучению элементов конструкций типа стержней. Пластины, оболочки и массивы изучаются в расширенных курсах «Сопротивление материалов» и в специальных курсах.
Сосредоточенные силы – это силы, приложенные к элементу конструкции на площадке его поверхности, размерами которой по сравнению с размерами всей поверхности элемента конструкции можно пренебречь. Как правило, сосредоточенные силы – это результат воздействия на данное тело (элемент конструкции) другого тела (в частности, другого элемента конструкции). Во многих практически важных случаях сосредоточенные
силы можно без заметного ущерба для точности инженерных расчетов считать приложенными к элементу конструкции в точке. Единицы измерения сосредоточенных сил Н (Ньютон), кН (килоньютон) и др.
Объемные силы – это силы, приложенные по всему объему элемента конструкции, например распределенные силы тяжести. Единицы измерения распределенных объемных сил Н/м 3 , кН/м 3 и т. п. Полная сила тяжести (Н, кН) какого-либо элемента конструкции нередко в расчетах условно учитывается как сосредоточенная сила, приложенная в точке, называемой его центром тяжести.
Распределенные силы (нагрузки) – это силы, приложенные на части площади (или длины) деформируемого тела, соизмеримой с размерами всего тела. Различают поверхностно распределенные силы (нагрузки), единицы измерения которых Н/м 2 , кН/м 2 и т.п. (например, распределенные снеговые нагрузки на покрытия зданий), а также линейно распределенные нагрузки (по длине элементов конструкций), единицы измерения которых Н/м, кН/м и т.п. (например, распределенные силы давления плит, опираемых на балки строительных конструкций).
Статические силы (нагрузки) – это силы (нагрузки), не изменяющие (или несущественно изменяющие) свое значение, положение и направление действия в процессе эксплуатации конструкции.
Динамические силы (нагрузки) – это силы (нагрузки), существенно изменяющие свое значение, положение и/или направление в короткие промежутки времени и вызывающие колебания конструкции.
Номинальные нагрузки – это нормально максимальные нагрузки, возникающие при эксплуатации конструкции.
1) Что изучается в курсе «Сопротивление материалов»? Каково его значение для высококвалифицированных технических специалистов?
2) Что такое внешние нагрузки и внутренние усилия?
3) Объясните понятия деформации, прочности, жесткости и устойчивости.
4) Объясните понятия однородности, сплошности, изотропности и анизотропии.
5) Дайте классификацию элементов конструкций.
6) Дайте классификацию внешних нагрузок, действующих на элементы конструкций.
1. Александров А.В. и др. Сопротивление материалов. Учебник для вузов – М.: Высш. шк., 2001. – 560 с. (с. 5…20).
2. Степин П.А. Сопротивление материалов. – М.: Высш. школа, 1983. – 303 с. (с. 5…20).
3. Справочник по сопротивлению материалов/Писаренко Г.С. и др. – Киев: Наукова думка, 1988. – 737с. (с. 5…9).
Контрольные задания для СРС – с помощью учебной литературырасширить сведения по следующим вопросам:
1) что такое силы упругости?
2) какова сущность принципа отсутствия в теле начальных внутренних усилий (, с. 9-10)?
3) каковы принципы схематизации внешних нагрузок, действующих на элементы конструкций, применяемые в инженерных расчетах (, с. 8-11)?
4) пояснить принцип независимости действия сил (, с. 18-20; , с. 10)?
5) пояснить принцип Сен-Венана (, с. 10-11);
6) в чем отличие деформации от перемещения (, с. 17-18; , с. 13-14)?;
7) общее понятие о методе сечений (, с. 13-16; , с. 14-17);
8) общее понятие о напряжениях в деформируемом теле, обозначениях нормальных и касательных напряжений (, с. 13-15; , с. 17-20).
9) классификация внешних нагрузок, действующих на элементы конструкций (см. п. 5.3).
Лекция 6. Тема 6. «Центральное растяжение-сжатие прямых жестких стержней»
Цель лекции – изложить вводные положения по теме, сущность и применение метода сечений для определения внутренних усилий в стержнях при центральном растяжении-сжатии; дать начальные понятия об эпюрах внутренних усилий.
1.2. Классификация внешних сил и элементов конструкций
Внешние силы, действующие на элементы конструкций," как известно из курса теоретической механики, делятся на активные и реактивные (реакции связей). Активные внешние силы принято называть Происхождение и характер действия нагрузки определяются назначением, условиями работы и конструктивными особенностями рассматриваемого элемента. Например, для приводного вала, изображенного на рис. 1.8, нагрузками являются силы, действующие на зубья колеса, и натяжения ветвей ремня, а также силы тяжести самого вала и насаженных на него деталей (зубчатого колеса и шкива).
Для стержней фермы мостового крана (рис. 1.9) основные нагрузки - силы тяжести поднимаемого груза и тележки; меньшее значение имеют силы тяжести фермы.
Основная нагрузка барабана парового котла - давление находящегося в нем пара.
В случае если рассматриваемый элемент конструкции движется с ускорением, то к числу действующих на него нагрузок относятся также силы инерции.
Силы тяжести данной части конструкции и силы инерции, возникающие при ее ускоренном движении, являются объемнымя сяламв, т. е. они действуют на каждый бесконечно малый элемент объема. Нагрузки, передающиеся от одних элементов конструкции к другим, относятся к числу поверхностных сил.
Поверхностные снлы делатся на сосредоточенные в распределенные. При этом следует помнить, что сосредоточенных сил, конечно, не существует - это абстракция, вводимая для удобства технических расчетов. Сила рассматривается как сосредоточенная, если она передается на деталь по площадке, размеры которой пренебрежимо малы в сравнении с размерами самого элемента конструкции. Например, силу давления колеса вагона на рельс можно рассматривать как сосредоточенную, так как хотя колесо и рельс в месте соприкосновения деформируются, но размеры площадки, получающейся в результате этой деформации, ничтожно малы по сравнению с размерами как рельса, так и колеса.
Нагрузки, распределенные по некоторой поверхности, характеризуются давлением, т. е. отношением силы, действующей на элемент поверхности нормально к ней, к площади данного элемента, и, следовательно, выражаются в паскалях (1 Па = = 1 Н/м~), МПа и т. д.
Во многих случаях приходится встречаться с нагрузками, распределенными по длине элемента конструкции,. например можно говорить о силе тяжести единицы длины балки, при этом если сечение балки непостоянно, то и сила тяжести единицы ее длины будет переменной.
Распределенная по длине нагрузка характеризуется интенсивностью, обозначаемой обычно q и выражаемой в единицах силы, отнесенных к единицам длины: Н/м, кН/м и т. п.
По характеру изменения во времени различают: статические нагрузки, нарастающие медленно и плавно от нуля до своего конечного значения; достигнув его, в дальнейшем не изменяются. Примером могут служить центробежные силы в период разгона и при последующем равномерном вращении какого-либо ротора;
повторные нагрузки, многократно изменяющиеся во времени по тому или иному закону. Примером такой нагрузки служат силы, действующие на зубья зубчатых колес;
нагрузки малой продолжительности, прикладываемые к конструкции сразу или даже с начальной скоростью в момент контакта (эти нагрузки часто называют динамическими или ударными). Примером ударной является, например, нагрузка, воспринимаемая деталями парового молота во время ковки.
Вопрос о связях и их реакциях достаточно подробно рассмотрен в курсе теоретической механики. Здесь ограничимся лишь напоминанием о наиболее распространенных типах связей.
Шарнирно-подвижная опора (односвязная опора) схематически изображается, как показано на рис. 1.10,а. Реакция такой опоры всегда перпендикулярна опорной поверхности.
Шарнирно-неподвижная опора (двухсвязная опора) схематически изображена на рис. 1.10,б. Реакция шарнирно-неподвижной опоры проходит через. центр шарнира, а ее направление зависит от действующих активных сил. Вместо отыскания числового значения и направления этой реакции удобнее искать отдельно две ее составляющие.
В жесткой заделке (трехсвязная опора) возникают реактивная пара сил (момент) и реактивная сила; последнюю удобнее представлять в виде двух ее составляющих (рис. 1.11).
Если связью служит стержень с шарнирами по концам (рис. 1.12), то реакция направлена вдоль его оси, т. е. сам стержень работает на растяжение или сжатие.
Формы элементов конструкций чрезвычайно разнообразны, но с большей или меньшей степенью точности каждый из них можно при расчетах рассматривать либо как брус, либо как оболочку или пластину, либо как массив.
В сопротивлении материалов в основном изучают методы расчетов на прочность, жесткость и устойчивость бруса, т. е. тела, два измерения которого невелики по сравнению с третьим (длиной). Представим себе плоскую фигуру, перемещающуюся вдоль некоторой линии таким образом, что центр тяжести фигуры находится на этой линии, а плоскость фигуры ей перпендикулярна. Полученное в результате такого движения тело и есть брус (рис. 1.13).
Плоская фигура, движением которой брус образован, является его поперечным сечением, а линия, вдоль которой перемещался ее центр тяжести,- осью бруса.
Ось бруса - это геометрическое место центров тяжести его поперечных сечений. В зависимости от формы оси бруса и того, как изменяется (или остается постоянным) его поперечное сечение, различают прямые и кривые брусья с постоянным, непрерывно или ступенчато изменяющимся поперечным сечением (рис. 1.14). В качестве некоторых примеров деталей, рассчитываемых как прямые брусья, можно указать приводной вал (см. рис. 1.8), любой из стержней фермы мостового крана (см. рис. 1.9); крюк этого крана рассчитывают как кривой брус.
Пластина и оболочка (рис. 1.15) характеризуются тем, что их толщина невелика по сравнению с остальными размерами. Пластину можно рассматривать как частный случай оболочки, так сказать, «распрямленную» оболочку. Примерами деталей, рассматриваемых как оболочки и пластины, являются различные резервуары для жидкостей и газов, элементы обшивки корпусов кораблей, подводных лодок, фюзеляжей самолетов.
Массивом называют тело, все три измерения которого - величины одного порядка, например фундамент под машину, шарик или ролик подшипника качения.
При методике предельных состояний все нагрузки классифицированы в зависимости от вероятности их воздействия на нормативные и расчетные.
По признаку воздействия нагрузки разделяются на постоянные и временные. Последние могут быть длительного и кратковременного воздействия.
Кроме того, есть нагрузки, которые выделяются в разряд особых нагрузок и воздействий.
Постоянные нагрузки – собственный вес несущих и ограждающих конструкций, давление грунта, предварительное напряжение.
Временные длительные нагрузки – вес стационарного технологического оборудования, вес складируемых материалов в хранилищах, давление газов, жидкостей и сыпучих материалов в емкостях и т.д.
Кратковременные нагрузки – нормативные нагрузки от снега, ветра, подвижного подъемно-транспортного оборудования, массы людей, животных и т.п.
Особые нагрузки – сейсмические воздействия, взрывные воздействия. Нагрузки, возникающие в процессе монтажа конструкций. Нагрузки, связанные с поломкой технологического оборудования, воздействия, связанные с деформациями основания в связи с изменениями структуры грунта (просадочные грунты, осадка грунтов в карстовых районах и над подземными выработками).
Существует иногда термин “полезная нагрузка”. Полезной называют нагрузки, восприятие которых составляет цельное назначение сооружений, например, вес людей для пешеходного моста. Они бывают как временными, так и постоянным, например, вес монументального выставочного сооружения является постоянной нагрузкой для постамента. Для фундамента вес всех вышележащих конструкций также представляет полезную нагрузку.
При действии на конструкцию нескольких видов нагрузок усилия в ней определяются как при самых неблагоприятных сочетаниях с использованием коэффициентов сочетаний .
В СНиПе 2.01.07-85 “ Нагрузки и воздействия” различают:
основные сочетания , состоящие из постоянных и временных нагрузок;
особые сочетания , состоящие из постоянных, временных и одной из особых нагрузок.
При основном сочетании, включающем одну временную нагрузку, коэффициент сочетаний . При большем числе временных нагрузок, последние умножаются на коэффициент сочетаний .
В особых сочетаниях временные нагрузки учитываются с коэффициентом сочетаний , а особая нагрузка - с коэффициентом . Во всех видах сочетаний постоянная нагрузка имеет коэффициент .
нагруженных элементов
Учет сложного напряженного состояния при расчете металлических конструкций производится через расчетное сопротивление , которое устанавливается на основе испытаний металлических образцов при одноосном нагружении. Однако в реальных конструкциях материал, как правило, находится в сложном многокомпонентном напряженном состоянии. В связи с этим необходимо установить правило эквивалентности сложного напряженного состояния одноосному.
В качестве критерия эквивалентности принято использовать потенциальную энергию, накапливаемую в материале при его деформировании внешним воздействиям.
Для удобства анализа энергию деформации можно представить в виде суммы работ по изменению объема А о и изменения формы тела А ф. Первая не превышает 13% полной работы при упругом деформировании и зависит от среднего нормального напряжения.
1 - 2υ
A o = ----------(Ơ Χ + Ơ У + Ơ Ζ) 2 (2.3.)
Вторая работа связана со сдвигами в материале:
А ф = -------[(Ơ Χ 2 +Ơ Υ 2 + Ơ z 2 -(Ơ x Ơ y +Ơ y Ơ z +Ơ z Ơ x) + 3 (τ xy 2 +τ yz 2 + τ zx 2)] (2.4.)
Известно, что разрушение кристаллической структуры строительных сталей и алюминиевых сплавов связано со сдвиговыми явлениями в материале (движение дислокаций и пр.).
Работа формоизменения (2.4.) является инвариантом, поэтому при одноосном напряженном состоянии Ơ = Ơ имеем А 1 =[(1 + ) / 3Е ] Ơ 2
Приравнивая это значение выражению (2.4) и извлекая квадратный корень, получим:
Ơ пр = =Ơ (2.5)
Это соотношение устанавливает энергетическую эквивалентность сложного напряженного состояния одноосному. Выражение в правой части иногда называют приведенным напряжением Ơ пр, имея в виду приведение к некоторому состоянию с одноосным напряжением Ơ .
Если предельно допустимое напряжение в металле (расчетное сопротивление) устанавливается по пределу текучести стандартного образца Ơ T , то выражение (2.5) принимает вид Ơ пр = Ơ T и представляет собой условие пластичности при сложном напряженном состоянии, т.е. условие перехода материала из упругого состояния в пластичное.
В стенках двутавровых балок вблизи приложения поперечной нагрузки
Ơ x 0 . Ơ y 0 . τ xy 0 . остальными компонентами напряжений можно пренебречь. Тогда условие пластичности принимает вид
Ơ пр = = Ơ T (2.6)
В точках, удаленных от места приложения нагрузки, можно пренебречь также локальным напряжением Ơ y = 0 , тогда условие пластичности еще более упростится: Ơ пр = = Ơ T .
При простом сдвиге из всех компонентов напряжений только
τ xy 0 . тогда Ơ пр = = Ơ T . Отсюда
τ xy = Ơ T / = 0,58 Ơ T (2.7)
В соответствии с этим выражением в СНиПе принято соотношение между расчетными сопротивлениями на сдвиг и растяжение ,
где - расчетное сопротивление сдвигу; - предел текучести.
Поведение под нагрузкой центрально растянутого элемента и центрально сжатого при условии обеспечения его устойчивости полностью соответствует работе материала при простом растяжении-сжатии (рис.1.1, б ).
Предполагается, что напряжения в поперечном сечении этих элементов распределяются равномерно. Для обеспечения несущей способности таких элементов необходимо, чтобы напряжения от расчетных нагрузок в сечении с наименьшей площадью не превышали расчетного сопротивления.
Тогда неравенство первого предельного состояния (2.2) будет
где - продольная сила в элементах; - площадь нетто поперечного сечения элемента; - расчетное сопротивление, принимаемое равным , если в элементе не допускается развитие пластических деформаций; если же пластические деформации допустимы, то равняется наибольшему из двух значений и (здесь и - расчетные сопротивления материала по пределу текучести и по временному сопротивлению соответственно); - коэффициент надежности по материалу при расчете конструкции по временному сопротивлению; - коэффициент условий работы.
Проверка по второму предельному состоянию сводится к ограничению удлинения (укорочения) стержня от нормативных нагрузок
N n l / (E A) ∆ (2.9)
где - продольная сила в стержне от нормативных нагрузок; - расчетная длина стержня, равная расстоянию меду точками приложения нагрузки к стержню; - модуль упругости; - площадь брутто поперечного сечения стержня; - предельная величина удлинения (укорочения).
Решили вы, например, сделать себе дом. Самостоятельно, без привлечения архитекторов-конструкторов. И в какой-то момент времени, обычно почти сразу, возникает необходимость рассчитать вес этого дома. И тут начинается череда вопросов: какова величина снеговой нагрузки, какую нагрузку должно выдерживать перекрытие, какой коэффициент использовать при расчёте деревянных элементов. Но прежде, чем дать конкретные цифры, нужно понять, какова зависимость между длительностью воздействия нагрузки и её величиной.
Нагрузки в общем виде делятся на постоянные и временные. А временные в свою очередь на длительные, кратковременные и мгновенные. Наверняка у неподготовленного читателя возникнет вопрос: а какая, собственно, разница, как классифицировать нагрузку? Возьмём, к примеру, нагрузку на междуэтажное перекрытие. В СНиПе прописано нормативное значение 150 кгс на квадратный метр. При внимательном прочтении документа легко заметить, что 150 кгс/м² (полное нормативное значение) применяется при классификации нагрузки как "Кратковременная", но если мы классифицируем её как "длительная", то нагрузка на перекрытие принимается уже всего-то 30 кгс/м²! Почему так происходит? Ответ кроется в глубинах теории вероятности, но для простоты поясню на примере. Представьте вес всего, что есть у вас в комнате. Возможно, вы коллекционер чугунных люков от колодцев, но статистически, если рассматривать тысячи комнат разных людей, то в среднем люди ограничиваются полутонной всевозможных предметов на комнату в 17 м². Полтонны - это не мало для комнаты! Но поделив нагрузку на площадь получим всего-то 30 кг/м². Цифра статистически подтверждена и закреплена в СНиП. А теперь представьте себе, что вы (весом 80 кг) входите в комнату, садитесь на кресло (весом 20 кг) и к вам на колени устраивается жена (весом 50 кг). Получается, на достаточно малую площадь действует нагрузка в 150 кг. Вы, конечно можете в таком тандеме всегда перемещаться по квартире, или просто самостоятельно весить все 150 кг, но вы не можете сидеть на месте неподвижно 10 лет. А значит, что нагрузку в эти 150 кг вы создаёте каждый раз в разном месте, в то время как в другом месте этой нагрузки нет. Т.е. в длительной перспективе вы не выйдите за среднестатистические 500 кг на 17 м², или 30 кг/м², но в кратковременный промежуток вы можете создать нагрузку в 150кг/м². А если вы занимаетесь прыжками на батуте при весе в 150 кг - то это уже будет "Мгновенная" нагрузка, и её расчёт проводится на основании индивидуальных особенностей, ибо статистики для таких случаев просто нету.
Итак, с разницей между терминами немного разобрались, теперь к вопросу: а какая разница для нас, как проектировщиков? Если на доску давить небольшой массой на протяжении десятилетий - она таки прогнётся, а если надавить посильнее, а потом отпустить - доска вернёт своё исходное состояние. Вот именно этот эффект и учитывают присвоением классов нагрузки при расчёте прочности древесины.
Вся информация для статьи приведена из СНиП 2.01.07-85 "Нагрузки и воздействия" . Поскольку я сторонник деревянного домостроения, я также буду ссылаться на частный случай классификации нагрузок по действующему на 2017 год , а так же упомяну Еврокод EN 1991.
Классификация нагрузок по СНиП 2.01.07-85
В зависимости от продолжительности действия нагрузок следует различать постоянные и временные нагрузки.
Постоянные нагрузки
вес частей сооружений, в том числе вес несущих и ограждающих строительных конструкций;
вес и давление грунтов (насыпей, засыпок), горное давление;
гидростатическое давление;
сохраняющиеся в конструкции или основании усилия от предварительного напряжения так же следует учитывать в расчетах как усилия от постоянных нагрузок.
Временные нагрузки
Временные нагрузки разделяются ещё на три класса:
1. Длительные нагрузки
0,3 - для III снегового района,
0,5 - для IV района;
0,6 - для V и VI районов;
вес временных перегородок, подливок и подбетонок под оборудование;
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;
давление газов, жидкостей и сыпучих тел в емкостях и трубопроводах, избыточное давление и разрежение воздуха, возникающее при вентиляции шахт;
нагрузки на перекрытия от складируемых материалов и стеллажного оборудования в складских помещениях, холодильниках, зернохранилищах, книгохранилищах, архивах и подобных помещениях;
температурные технологические воздействия от стационарного оборудования;
вес слоя воды на водонаполненных плоских покрытиях;
вес отложений производственной пыли, если ее накопление не исключено соответствующими мероприятиями;
нагрузки от людей с пониженными нормативными значениями ;
снеговые нагрузки с пониженным нормативным значением, определяемым умножением полного нормативного значения на коэффициент:
температурные климатические воздействия с пониженными нормативными значениями;
воздействия, обусловленные деформациями основания, не сопровождающимися коренным изменением структуры грунта, а также оттаиванием вечномерзлых грунтов;
воздействия, обусловленные изменением влажности, усадкой и ползучестью материалов.
2. Кратковременные нагрузки
нагрузки от оборудования, возникающие в пускоостановочном, переходном и испытательном режимах, а также при его перестановке или замене;
вес людей, ремонтных материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования;
нагрузки от людей , животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий с полными нормативными значениями ;
нагрузки от подвижного подъемно-транспортного оборудования (погрузчиков, электрокаров, кранов-штабелеров, тельферов, а также от мостовых и подвесных кранов с полным нормативным значением);
снеговые нагрузки с полным нормативным значением;
температурные климатические воздействия с полным нормативным значением;
ветровые нагрузки;
гололедные нагрузки.
3. Особые нагрузки
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.
Нормативные нагрузки, упоминаемые выше, приведены в таблице:
В актуализированной на 2011 год версии этого документа пониженные нормативные значения равномерно распределённых нагрузок определяются умножением их полных нормативных значений на коэффициент 0,35.
Такая классификация была принята довольно продолжительное время и уже успела укорениться в сознании "постсоветского инженера". Однако, постепенно, вслед за всей Европой, мы переходим к так называемым Еврокодам.
Классификация нагрузок по Еврокоду EN 1991
По еврокоду всё немного разнообразнее и сложнее. Все расчётные воздействия следует принимать согласно соответствующим разделам EN 1991:
EN 1991-1-1 Удельный вес, постоянные и временные нагрузки
EN 1991-1-3 Снеговые нагрузки
EN 1991-1-4 Ветровые воздействия
EN 1991-1-5 Температурные воздействия
EN 1991-1-6 Воздействия при производстве строительных работ
EN 1991-1-7 Особые воздействия
В соответствии с ТКП ЕN 1990 при рассмотрении воздействий применяют следующую классификацию:
постоянные воздействия G . Например, воздействия собственного веса, стационарного оборудования, внутренних перегородок, отделки и косвенные воздействия в результате усадки и/или осадки;
переменные воздействия Q . Например, прилагаемые полезные нагрузки, ветровые, снеговые и температурные нагрузки;
особые воздействия А . Например, нагрузки от взрывов и ударов.
Если с постоянным воздействием всё более-менее понятно (просто берём объём материала и умножаем его на среднюю плотность этого материала и так по каждому материалу в конструкции дома), то переменные воздействия требуют пояснения. Особые воздействия в контексте частного строительства я рассматривать не буду.
По Еврокоду величина воздействий характеризуется категориями использования строения по таблице 6.1:
Не смотря на всю приведённую информацию Еврокод подразумевает использование национальных приложений, разрабатываемых к каждому разделу Еврокода индивидуально в каждой стране, использующей этот Еврокод. Эти приложения учитывают различные климатические, геологические, исторические и прочие особенности каждой страны, позволяя, тем не менее, придерживаться единых правил и стандартов в расчёте конструкций. К Еврокоду EN1991-1-1 национальное приложение имеется и оно в части величин нагрузок целиком и полностью ссылается на СНиП 2.01.07-85, рассмотренный в первой части этой статьи.
Классификация нагрузок при проектировании деревянных конструкций по Еврокоду EN1995-1-1
На 2017 год в Беларуси действует документ на основе еврокода ТКП EN 1995-1-1-2009 "Проектирование деревянных конструкций" . Поскольку документ относится к Еврокодам, предыдущая классификация по EN 1991 полностью применима и к деревянным конструкциям, однако имеет дополнительное уточнение. Так, в расчётах на прочность и пригодность к эксплуатации следует обязательно учитывать длительность действия нагрузки и влияние влажности!
Классы длительности действия нагрузок характеризуются воздействием постоянной нагрузки, действующей в определённый период времени при эксплуатации сооружения. Для переменного воздействия определяется соответствующий класс на основе оценки взаимодействия между типовой вариацией нагрузки и временем.
Это общая классификация, рекомендованная Еврокодом но, структура Еврокодов, как я уже упоминал, подразумевает использование Национальных Приложений, разрабатываемых в каждой стране индивидуально, и, конечно, для Беларуси это приложение тоже имеется. В нём немного сокращена классификация длительности:
Данная классификация в достаточной степени коррелирует с классификацией по СНиП 2.01.07-85.
Зачем нам знать всё это?
Влияние на прочность древесины
В контексте проектирования и расчёта деревянного дома и любого его элемента классификация нагрузок совместно с классом эксплуатации имеет важное значение и может более чем вдвое (!) изменять расчётную прочность древесины. Например, все расчётные значения прочности древесины, помимо прочих коэффициентов, умножаются на так называемый коэффициент модификации kmod:
Как видно из таблицы, в зависимости от класса длительности воздействия нагрузки и условий эксплуатации одна и та же доска I сорта способна выдержать нагрузку, к примеру на сжатие 16,8 МПа при кратковременном воздействии в отапливаемом помещении и лишь 9,1 МПа при постоянной нагрузке в пятом классе условий эксплуатации.
Влияние на прочность композитной арматуры
При проектировании фундаментов и железобетонных балок иногда используют композитную арматуру. И если на стальную арматуру длительность действия нагрузок не оказывает существенного влияния, то с композитной всё очень по другому. Коэффициенты влияния длительности нагрузки для АКП приведены в Приложении Л к СП63,13330:
В формуле расчёта сопротивления растяжению, приведённой в табличке выше есть коэффициент yf - это коэффициент надёжности по материалу, принимаемый при расчёте по предельным состояниям второй группы равным 1, а при расчётен по первой группе - равным 1,5. Например, в балке на открытом воздухе прочность стеклопластиковой арматуры может быть 800*0,7*1/1=560 МПа, но при длительной нагрузке 800*0,7*0,3/1=168 МПа.
Влияние на величину распределённой нагрузки
Согласно СНиП 2.01.07-85, нагрузки от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий принимаются с пониженным нормативным значением, если мы относим эти нагрузки к длительным. Если мы их классифицируем как кратковременные - то принимаем полные нормативные значения нагрузок. Такие различия формируются теорией вероятностей и математически просчитаны, но в Своде правил представлены в виде уже готовых ответов и рекомендаций. Такое же влияние классификации есть и на снеговые нагрузки, но снеговые нагрузки я рассмотрю уже в другой статье.
Что нужно считать?
Мы уже разобрались немного с классификацией нагрузок и поняли, что нагрузки на перекрытия и снеговые нагрузки относятся ко временным нагрузкам, но при этом могут относится как к длительным, так и к кратковременным. Причём их величина может значительно отличаться в зависимости от того, к какому классу мы их причислим. Неужели в таком важном вопросе решение зависит от нашего желания? Конечно нет!
В ТКП EN 1995-1-1-2009 "Проектирование деревянных конструкций" есть следующее предписание: если сочетание нагрузки состоит из воздействий, которые принадлежат к разным классам длительности действия нагрузки, то нужно применять значение коэффициентов модификации, которое соответствует воздействию меньшей длительности, например для комбинации собственного веса и кратковременной нагрузки применяется значение коэффициента, соответствующего кратковременной нагрузке.
В СП 22.13330.2011 "Основания зданий и сооружений" указание таково: нагрузки на перекрытия и снеговые нагрузки, которые согласно СП 20.13330 могут относиться как к длительным, так и к кратковременным, при расчете оснований по несущей способности считают кратковременными, а при расчете по деформациям - длительными. Нагрузки от подвижного подъемно-транспортного оборудования в обоих случаях считают кратковременными.
Постоянные нагрузки. (q ) В зависимости от продолжительности действия нагрузки делят на постоянные и временные. Постоянными нагрузками являются вес несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений, вес и давление грунтов, воздействие предварительного напряжения железобетонных конструкций.
Временные нагрузки. Длительные нагрузки(P) . К ним относятся: вес стационарного оборудования на перекрытиях - станков, аппаратов, двигателей, емкостей и т. п.; давление газов, жидкостей, сыпучих тел в емкостях; вес специфического содержимого в складских помещениях, холодильников, архивов, библиотек и подобных зданий и сооружений; установленная нормами часть временной нагрузки в жилых домах, в служебных и бытовых помещениях; длительные температурные технологические воздействия от стационарного оборудования; нагрузки от одного подвесного или одного мостового крана, умноженные на коэффициенты: 0,5, 0,6..в зависимости от вида крана
Кратковременные нагрузки.(S) К ним относятся: вес людей, деталей, материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования - проходах и других свободных от оборудования участках; часть нагрузки на перекрытия жилых и общественных зданий; нагрузки, возникающие при изготовлении, перевозке и монтаже элементов конструкций; нагрузки от подвесных и мостовых кранов, используемых при возведении или эксплуатации зданий и сооружений; снеговые и ветровые нагрузки; температурные климатические воздействия.
Особые нагрузки. К ним относятся: сейсмические и взрывные воздействия; нагрузки, вызываемые неисправностью или поломкой оборудования и резким нарушением технологического процесса (например, при резком повышении или понижении температуры и т.п.); воздействия неравномерных деформаций основания, сопровождающиеся коренным изменением структуры грунта (например, деформации просадочных грунтов при замачивании или вечиомерзлых грунтов при оттаивании), и др.
Нормативные нагрузки . Они устанавливаются нормами или по номинальным значениям. Нормативные постоянные нагрузки принимают по проектным значениям геометрических и конструктивных параметров и по средним значениям плотности. Нормативные временные технологические и монтажные нагрузки устанавливают по наибольшим значениям, предусмотренным для нормальной эксплуатации; снеговые и ветровые - по средним из ежегодных неблагоприятных значений или по неблагоприятным значениям, соответствующим определенному среднему периоду их повторений.
Расчетные нагрузки. Их значения при расчете конструкций на прочность и устойчивость определяют умножением нормативной нагрузки на коэффициент надежности по нагрузке γf, обычно больше, чем единица.Коэффициент надежности при действии веса бетонных и железобетонных конструкций γ f -1>1. Коэффициент надежности при действии веса конструкций, применяемый в расчете на устойчивость положения против всплытия, опрокидывания и скольжения, а также в других случаях, когда уменьшение массы ухудшает условия работы конструкции, принят γ f=0,9. При расчете конструкций на стадии возведения расчетные кратковременные нагрузки умножают на коэффициент 0,8. При расчете конструкций по деформациям и перемещениям (по второй группе предельных состояний) расчетные нагрузки принимают равными нормативным значениям с коэффициентом γt = 1.
Сочетание нагрузок. Конструкции должны быть рассчитаны на различные сочетания нагрузок или соответствующие им усилия, если расчет ведут по схеме неупругого состояния. В зависимости от состава учитываемых нагрузок различают: основные сочетания, включающие постоянные, длительные и кратковременные нагрузки или усилия от них; особые сочетания, включающие постоянные, длительные, возможные кратковременные и одна из особых нагрузки или усилия от них.
В основных сочетаниях при учете не менее двух временных нагрузок их расчетные значения (или соответствующих им усилий) умножают на коэффициенты сочетания равные: для длительных нагрузок ф1 = 0,95; для кратковременных ф2=0,9. При учете же одной временной нагрузки ф1=ф2 = l. Нормами допускается при учете трех и более кратковременных нагрузок их расчетные значения умножать на коэффициенты сочетаний: ф 2 =l- для первой по степени важности кратковременной нагрузки; ф 2 = 0,8 - для второй; ф2 = 0,6 - для остальных.
В особых сочетаниях для длительных нагрузок ф1= 0,95, для кратковременных ф 2 =0,8, кроме случаев, оговоренных в нормах проектирования зданий и сооружений в сейсмических районах.