Нагрузки и воздействия

Несущие конструкции зданий и сооружений воспринимают различные виды нагрузок, обеспечивая передачу силовых потоков от мест приложения нагрузок к фундаментам, при этом конструкция должна соответствовать эксплуатационным требованиям.

Классификация нагрузок и воздействий с точки зрения их влияния на работу конструкций представлена на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Классификация нагрузок

По природе происхождения существуют следующие нагрузки: от собственного веса конструкций и грунтов; полезные и сопутствующие (от оборудования, людей, животных, складируемых материалов и изделий, мостовых и подвесных кранов, отложений производственной пыли, и т.п.); атмосферные (от напора ветра, веса снега и гололеда); монтажные; аварийные; а также температурные (технологические и климатические), сейсмические и взрывные воздействия;.

Основными характеристиками нагрузок являются их нормативные значения, т.е. максимальные значения, отвечающие нормальной эксплуатации: gn – равномерно распределенные по площади; qn – погонные; Fn – сосредоточенные).

Нормативные значения нагрузок, обычно принимаемых равномерно распределенными по площади, определяют по СНиП «Нагрузки и воздействия» , техническому заданию на проектирование, справочным данным:

– для нагрузок от собственного веса – по проектным значениям геометрических и конструктивных параметров и по средним значениям плотности с учетом имеющихся данных предприятий-изготовителей об ожидаемой массе конструкции (например, нагрузки от веса покрытия находят по толщине слоев – рулонного ковра, стяжки утеплителя, пароизоляции, несущей плиты и др.) и средней плотности материалов;

– для атмосферных нагрузок (например, ветровой, снеговой, гололедной, волновой, ледовой) и воздействий (например, температурных, влажностных) –  по наибольшим годовым значениям, соответствующим определенному среднему периоду их превышения; нормативные значения атмосферных нагрузок, которые могут вызывать в конструкциях динамические усилия или деформации должны определяться с учетом динамических явлений и динамических характеристик конструкций. Значения таких нагрузок зависят от географического района. В нормах территория России разделена на шесть снеговых, восемь ветровых и пять гололедных районов, для каждого из которых установлены соответствующие значения нагрузок;

– для технологических статических нагрузок (например, от оборудования, приборов, материалов, обстановки, людей) – по ожидаемым наибольшим значениям для предусмотренных условий изготовления, эксплуатации или производства работ с учетом паспортных данных оборудования;

– для технологических динамических нагрузок (от движущихся механизмов, машин, транспортных средств) – по значениям параметров, определяющим динамические воздействия, по значениям масс и геометрических размеров движущегося механизма или частей машины в соответствии с ее кинематической схемой и режимом работы. Например, для нагрузки от мостовых и подвесных кранов находят по ГОСТам на краны с учетом требований норм ;

– для сейсмических и взрывных воздействий, а также для нагрузок, вызываемых резкими нарушениями технологического процесса, временной неисправностью или поломкой оборудования, в том числе наездом транспортных средств – в соответствии с требованиями специальных нормативных документов.  Например,  величины  сейсмических  воздействий  определяют  по СНиП II-7-81* в зависимости от района возведения сооружения (по двенадцатибальной шкале Рихтера) с учетом сейсмичности площадки строительства, определенной на основании сейсмического микрорайонирования;

– нормативные воздействия предварительного напряжения конструкций устанавливают в процессе проектирования.

Нагрузки, действующие на сооружение (конструкцию) в процессе эксплуатации, обладают определенной изменчивостью и могут отличаться от установленных нормами значений, предсказать их величину можно лишь с той или иной степенью вероятности.

Возможное отклонение нагрузок в неблагоприятную (большую или меньшую) сторону от их нормативных значений вследствие изменчивости нагрузок или отступлений от условий нормальной эксплуатации учитывается коэффициентами надежности по нагрузке gf. Значения коэффициентов gf  зависят от вида нагрузок и могут быть различными для  отдельных предельных состояний и ситуаций (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Коэффициенты надежности по нагрузке

П р и м е ч а н и е: При расчете элементов конструкций покрытия, для которых отношение учитываемого нормативного значения равномерно распределенной нагрузки от веса покрытия (включая вес стационарного оборудования) к нормативному значению веса снегового покрова S0 менее 0,8, gf следует принимать равным 1,6.

Коэффициенты gf  характеризуют только изменчивость нагрузок, они не учитывают их динамическое воздействие (для этого вводятся специальные коэффициенты динамичности). Расчетное значение нагрузки (максимально возможное в процессе эксплуатации) получается путем умножения нормативного значения на соответствующий коэффициент надежности по нагрузке (g = gngf ; q = qngf ; F = Fngf  и т.п.).

При проверке конструкции на устойчивость положения против опрокидывания, а также в других случаях, когда уменьшение ее веса (постоянной нагрузки) может ухудшить условия работы, следует производить расчет, принимая для веса конструкции или ее части коэффициент надежности по нагрузке gf = 0,9. Временные нагрузки в этих случаях просто исключаются из сочетания нагрузок.

При определении нормативных и расчетных значений нагрузок, изменяющихся во времени, допускается учитывать предусматриваемый срок службы здания или сооружения.

По характеру изменения во времени различают статические и динамические нагрузки, а также переменные и многократно повторяющиеся нагрузки.

К статическим относятся нагрузки, интенсивность, местоположение и направление которых не зависят от времени или меняются столь медленно, что вызываемые ими силы инерции практически не влияют на работу конструкции. Для динамических нагрузок вводится коэффициент динамичности, равный 1,1 – 1,2.

По продолжительности действия различают постоянные и временные (длительные, кратковременные и особые) нагрузки.

Постоянными нагрузками называются такие, которые действуют на конструкцию в течение всего периода эксплуатации здания (сооружения). К ним следует относить вес частей зданий и сооружений, в том числе несущих и ограждающих строительных конструкций; вес и давление грунтов (насыпей, засыпок); сохраняющиеся в конструкции усилия от предварительного напряжения.

Временные нагрузки подразделяются на длительные и кратковременные. В нормах проектирования приведены величины некоторых нагрузок в двух вариантах: при полном и пониженном нормативных значениях. В зависимости от количественной характеристики одна и та же нагрузка, например, полезная на перекрытия жилых зданий (нагрузка от людей и мебели) может рассматриваться как кратковременная при полном нормативном значении, либо как длительная с пониженным нормативным значением (только от мебели).

Длительными нагрузками называют такие, которые воздействуют на конструкцию продолжительное время в течение многих месяцев и лет (но могут и отсутствовать).

К длительным нагрузкам следует относить: вес стационарного оборудования, вес жидкостей, газов и сыпучих тел, заполняющих оборудование, трубопроводы и емкости в процессе их эксплуатации; нагрузки на перекрытиях складских помещений, холодильников, зерно-  и книгохранилищ, архивов, библиотек и подобных зданий и помещений; вес слоя воды на водонаполненных плоских покрытиях, вес отложений производственной пыли, если ее накопление не исключено соответствующими мероприятиями, а также часть временных нагрузок с пониженным нормативным значением (см. ).

Кратковременными называют нагрузки, действующие на конструкцию непродолжительное время.

К кратковременным нагрузкам относятся следующие: от подвижного подъемно-транспортного оборудования (кранов, тельферов и т.п.); от оборудования, возникающие в пускоостановочном, переходном и испытательном режимах; от веса людей, мебели, деталей, ремонтных материалов и переносного оборудования; снеговые с полным нормативным значением; ветровые, гололедные, температурные климатические воздействия с полным нормативным значением.

К особым нагрузкам, являющимся разновидностью временных, следует относить: сейсмические и взрывные воздействия; а также вызываемые резкими нарушениями технологического процесса, временной неисправностью или поломкой оборудования; воздействия неравномерных деформаций основания, вызванных коренным изменением структуры грунта (при замачивании посадочных грунтов) или оседанием его в районах горных выработок и в карстовых.

Характерным для временных нагрузок в процессе эксплуатации конструкции является их полное расчетное воздействие или отсутствие и возможное изменение местоположения. Например, в неразрезной балке для получения максимального расчетного изгибающего момента в рассматриваемом пролете 2 необходимо загрузить балку временной нагрузкой q через пролет (рис. 1.5), так как загружение временной нагрузкой соседних полетов окажет разгружающее воздействие и уменьшит суммарный изгибающий момент от p и q. При этом, естественно, постоянная нагрузка распределяется по всей длине балки равномерно.

В стропильных фермах максимальные значения усилия в элементах получают от полного загружения нагрузками p и q, но при односторонней временной нагрузке (на половине пролета) знак усилий в средних элементах решетки может поменяться с «плюса» на «минус» и сечение таких стержней необходимо подбирать уже с повышенными требованиями по устойчивости.

Сочетания нагрузок. Расчет конструкций по предельным состояниям первой и второй группы следует выполнять с учетом наиболее неблагоприятных сочетаний нагрузок или соответствующих им усилий (для сечений, элементов, конструкций и их соединений, либо для всего здания и сооружения в целом).

В зависимости от учитываемого состава нагрузок следует различать:

– основные сочетания нагрузок, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных;

– особые сочетания нагрузок, состоящие из постоянных, длительных, кратковременных и одной из особых нагрузок и воздействий.

Одновременное появление наибольших значений нескольких нагрузок менее вероятно, чем появление наибольших значений одной, поэтому, чем больше нагрузок в сочетании при одновременном их действии, тем меньше вероятность появления их наибольших значений в этом сочетании.

Уменьшение вероятности одновременного превышения несколькими нагрузками их расчетных значений по сравнению с вероятностью превышения одной нагрузкой ее расчетного значения учитывается коэффициентом сочетаний нагрузок y.

Постоянные нагрузки в любом сочетании принимаются с коэффициентом сочетания y = 1.

Рис. 1.5. Эпюры изгибающих моментов:

а – от постоянной нагрузки p; б – от временной q; в – суммарная от p и q

При расчете конструкций на основные сочетания, содержащие одну временную нагрузку (длительную или кратковременную) последняя учитывается без снижения, а при учете двух или более временных нагрузок расчетные значения длительных нагрузок умножаются на коэффициент сочетания y1 = 0,95, кратковременных – на y2 = 0,9.

При рассмотрении особых сочетаний расчетные значения временных нагрузок умножаются на коэффициенты сочетания, равные для длительных нагрузок y1 = 0,95, для кратковременных – y2 = 0,8, значение особой нагрузки принимается без снижения (y3 = 1).