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.

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).

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.

Контрольные вопросы:

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.

Статистические нагрузки не меняются со време­нем или меняются очень медленно. При действии статистических нагрузок проводится расчет на прочность.

Повторно-переменные нагрузки многократно меня­ют значение или значение и знак. Действие таких нагрузок вызывает усталость металла.

Динамические нагрузки меняют свое значение в короткий промежуток времени, они вызывают большие ускоре­ния и силы инерции и могут привести к внезапному разрушению конструкции.

Из теоретической механики известно, что по способу приложе­ния нагрузки могут быть сосредоточенными или распределенными по поверхности.

Реально передача нагрузки между деталями происходит не в точке, а на некоторой площадке, т. е. нагрузка является распреде­ленной.

Однако если площадка контакта пренебрежительно мала по сравнению с размерами детали, силу считают сосредоточенной.

При расчетах реальных деформируемых тел в сопротивлении материалов заменять распределенную нагрузку сосредоточенной не следует.

Аксиомы теоретической механики в сопротивлении материалов используются ограниченно.

Нельзя переносить пару сил в другую точку детали, перемещать сосредоточенную силу вдоль линии действия, нельзя систему сил за­менять равнодействующей при определении перемещений. Все выше­перечисленное меняет распределение внутренних сил в конструкции.

В процессе строительства и эксплуатации здание испытывает на себе действие различных нагрузок. Внешние воздействия можно разделить на два вида: силовые и несиловые или воздействия среды.

К силовым воздействиям относятся различные виды нагрузок:

постоянные – от собственного веса (массы) элементов здания, давления грунта на его подземные элементы;

временные (длительные) – от веса стационарного оборудования, длительно хранящихся грузов, собственного веса постоянных элементов здания (например, перегородок);

кратковременные – от веса (массы) подвижного оборудования (например, кранов в промышленных зданиях), людей, мебели, снега, от действия ветра;

особые – от сейсмических воздействий, воздействий в результате аварий оборудования и т.п.

К несиловым относятся:

температурные воздействия , вызывающие изменения линейных размеров материалов и конструкций, которое приводит в свою очередь к возникновению силовых воздействий, а также влияющие на тепловой режим помещения;

воздействия атмосферной и грунтовой влаги , а также парообразной влаги содержащейся в атмосфере и в воздухе помещений, вызывающие изменение свойств материалов из которых выполнены конструкции здания;

движения воздуха вызывающее не только нагрузки (при ветре), но и его проникновение внутрь конструкции и помещений, изменение их влажностного и теплового режима;

воздействие лучистой энергии солнца (солнечная радиация) вызывающие в результате местного нагрева изменение физико-технических свойств поверхностных слоев материала, конструкций, изменение светового и теплового режима помещений;

воздействие агрессивных химических примесей , содержащихся в воздухе, которые в присутствии влаги могут привести к разрушению материала конструкций здания (явлении коррозии);

биологические воздействия , вызываемые микроорганизмами или насекомыми, приводящие к разрушению конструкций из органических строительных материалов;

воздействие звуковой энергии (шума) и вибрации от источников внутри или вне здания.

По месту приложения усилий нагрузки разделяются на сосредоточенные (например, вес оборудования) и равномернораспределенные (собственный вес, снег).

По характеру действия нагрузки могут быть статическими , т.е. постоянными по величине во времени и динамическими (ударными).

По направлению – горизонтальные (ветровой напор) и вертикальные (собственный вес).

Т.о. на здание действует самые различные нагрузки по величине, направлению, характеру действия и месту приложения.

Рис. 2.3. Нагрузки и воздействия на здание.

Может получится такое сочетание нагрузок, при котором все они будут действовать в одном направлении, усиливая друг друга. Именно на такие неблагоприятные сочетания нагрузок рассчитывают конструкции здания. Нормативные значения всех усилий, действующих на здание, приведены в ДБН или СНиПе.

5. Центрально-растянутые стальные элементы: схема работы, применение, расчет на прочность

Центрально-растянутые элементы – это элементы, в нормальном сечении которых точка приложения продольной растягивающей силы N совпадает с точкой приложения равнодействующей усилий в продольной арматуре.

К центрально-растянутым элементам относятся затяжки арок, нижние пояса и нисходящие раскосы ферм и другие элементы (рис. 51).

Центрально-растянутые элементы проектируют, как правило, предварительно-напряженными.

Основные принципы конструирования центрально-растянутых элементов:

Стержневую рабочую арматуру без предварительного напряжения соединяют по длине сваркой;

Стыки внахлестку без сварки допускаются только в плитных и стеновых конструкциях;

Растянутая предварительно-напряженная арматура в линейных элементах не должна иметь стыков;

В поперечном сечении предварительно напряженную арматуру размещают симметрично (чтобы избежать внецентренного обжатия элемента);

Внецентренно-растянутые элементы – это элементы, которые одновременно растягиваются продольной силой N и изгибаются моментом М , что равносильно внецентренному растяжению силой N с эксцентриситетом e o относительно продольной оси элемента. При этом различают 2 случая: когда продольная растягивающая сила N приложена между равнодействующими усилий в растянутой и сжатой арматуре, и положение, когда сила приложена за пределами данного расстояния.

К внецентренно-растянутым элементам относятся нижние пояса безраскосных ферм и другие конструкции.