Глоссарий. Классификация внешних нагрузок, действующих на элементы конструкций. Черчение Классификация нагрузок техническая механика

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.

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.

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

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:

• 0,3 - для III снегового района,

  0,5 - для IV района;

  0,6 - для V и VI районов;

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.

При решении задач сопромата внешними силами, или нагрузками, называются силы взаимодействия рассматриваемого элемента конструкции со связанными с ним телами. Если внешние силы являются результатом непосредственного, контактного взаимодействия данного тела с другими телами, то они приложены только к точкам поверхности тела в месте контакта и называются поверхностными силами. Поверхностные силы могут быть непрерывно распределены по всей поверхности тела или ее части. Величина нагрузки, приходящаяся на единицу площади, называется интенсивностью нагрузки, обозначается обычно буквой р и имеет размерность Н/м2, кН/м2, МН/м2 (ГОСТ 8 417-81). Допускается применение обозначения Па (паскаль), кПа, МПа; 1 Па = 1 Н/м2.

Поверхностная нагрузка, приведенная к главной плоскости, т. е. нагрузка, распределенная по линии, называется погонной нагрузкой, обозначается обычно буквой q и имеет размерность Н/м, кН/м, МН/м. Изменение q по длине обычно показывают в виде эпюры (графика).

В случае равномерно распределенной нагрузки эпюра q прямоугольная. При действии гидростатического давления эпюра q треугольная.

Равнодействующая распределенной нагрузки численно равна площади эпюры и приложена в ее центре тяжести. Если нагрузка распре-делена на небольшой части поверхности тела, то ее всегда заменяют равнодействующей, называемой сосредоточенной силой Р (Н, кН).

Встречаются нагрузки , которые могут быть представлены в виде сосредоточенного момента (пары). Моменты М (Н·м или кН·м) обозначают обычно одним из двух способов, или в виде вектора, перпендикулярного к плоскости действия пары. В отличие от вектора силы вектор момента изображают в виде двух стрелок или волнистой линией. Вектор момента обычно принято счи-тать правовинтовым.

Силы, не являющиеся результатом контакта двух тел, а приложенные к каждой точке объема занятого тела (собственный вес, силы инерции), называются объемными или массовыми силами.

В зависимости от характера приложения сил во времени различают нагрузки статические и динамические. Нагрузки считается статической, если она сравнительно медленно и плавно (хотя бы в течение не-скольких секунд) возрастает от нуля до своего конечного значения, я затем остается неизменной. При этом можно пренебречь ускорения-ми деформируемых масс, в следовательно, и силами инерции.

Динамические нагрузки сопровождаются значительными ускоре-ниями как деформируемого тела, так н взаимодействующих с ним тел. Возникающими при этом силами инерции пренебречь нельзя. Динамические нагрузки делятся из мгновенно приложенные, ударные в повторнопеременные.

Мгновенно приложенная нагрузка возрастает от нуля до максимума в течение долей секунды. Такие нагрузки возникают при воспламенении горючей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорании, при трогании с места железнодорожного состава.

Ударная нагрузка характерна тем, что в момент ее приложения тело, вызывающее нагрузку, обладает определенной кинетической энергией. Такая нагрузка возникает, например, при забивке свай с помощью копра, в элементах кузнечного молота.

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).