Лекция 5 Нагрузки и воздействия

Из курса «Технической механики» известно, что нагрузки подразделяются на объемные (силы тяжести и инерции) и поверхностные, которые возникают в месте опирания (соединения) различных конструкций.

Поверхностные нагрузки бывают сосредоточенными и распределенными, если передача нагрузки осуществляется по линии или по площади. Такие нагрузки называют соответственно распределенными по длине (погонными, когда, например,плита опирается на балку) и распределенными по площади (опирание фундамента на грунт­). Общепринято сосредоточенные нагрузки обозначать прописными буквами (N, F,G) , а равномерно распределенные нагрузки - строчными (p,q,g).С точки зрения характера воздействия нагрузки могут быть статические и динамические.

В зависимости от продолжительности действия нагрузки подразделяются на постоянные и временные (длительные, кратковременные, особые).

К постоянным нагрузкам относятся:

1. вес частей зданий и сооружений, в том числе вес несущих и ограждающих строительных конструкций

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

3. воздействие предварительного напряжения в конструкциях

Временные нагрузкиоказывают различное влияние на конструкции в зависимости от продолжительности действия, поэтому их подразделяют на длительные, кратковременные и особые. К временным длительным нагрузкам относятся:

· вес временных перегородок

· вес стационарного оборудования (станки, аппараты)

· нагрузки на перекрытия в складах, библиотеках, архивах, зернохранилищах

· снеговые нагрузки с пониженным расчетным значением, определяемым умножением полного расчетного значения на 0,5

К кратковременным нагрузкам относятся:

· снеговые нагрузки с полным расчетным значением

· нагрузки от мостовых кранов, тельферов, погрузчиков и т.п

· нагрузки, возникающие при изготовлении, перевозке и возведении конструкций, от веса временно складируемых на строительстве материалов и изделий, от веса насыпного грунта

· нагрузки от оборудования, возникающие в пусконаладочный период

· ветровые нагрузки

· температурные и климатические воздействия

К особым нагрузкам относятся:

· сейсмические и взрывные воздействия

· нагрузки, вызываемые резким нарушением технологического процесса, поломкой оборудования

· просадки грунтов (на горных выработках, в карстовых районах, при замачивании вечномерзлых грунтов).

Все нагрузки могут принимать нормативные и расчетные значения

Нормативные нагрузкив расчетах обозначаются индексом «n», который записывается снизу или сверху буквенного обозначения нагрузки.

N_n, F_n – нормативные сосредоточенные нагрузки (кН)

q_n,g_n – нормативные распределенные нагрузки (кН/м, кПа)

Нормативные постоянные нагрузки

Нормативные нагрузки от веса конструкций определяются по проектным размерам и плотностям материалов. Для сбора нагрузок нужно знать размеры конструкций или частей здания, плотность строительных материалов приводится в справочниках.

Нормативные временные нагрузки, необходимые для расчета конструкций, установлены СНиП 2.01.07-85*

· нагрузки на перекрытия и лестницы зданий приведены в таблице 3 СНиП

· ветровые нагрузки определяются по формуле w_n=w_okc

w_o- скоростной напор ветра, принимаемый на высоте 10м в зависимости от района строительства по карте районирования территории России по скоростному напору ветра (карта №3 Приложения 5 и табл.6 СНиП

k – коэффициент, учитывающий изменение скоростного напора ветра по высоте в зависимости от типа местности, принимается по п.6 табл. 6 СНиП

с – аэродинамический коэффициент ( коэффициент обтекания); для вертикальных поверхностей принимают:

с наветренной сторон с =+0,8, с заветренной стороны с = - 0,6

· нормативное значение снеговой нагрузки определяется умножением её расчетного значения на коэффициент 0,7

· нагрузки от оборудования, складируемых материалов, мостовых и подвесных кранов определяются по указаниям СНиП

Расчетные нагрузкиопределяются как произведение нормативной нагрузки на коэффициент надежности по нагрузкам γ_f, который учитывает возможность отклонения нагрузки в неблагоприятную сторону от нормативных значений.

N = N_n γ_f - расчетная сосредоточенная нагрузка

q = q_n γ_f - расчетная нагрузка, распределенная по площади или по длине элемента (погонная нагрузка).

Расчетная постоянная нагрузка

Для определения расчетных значений нагрузок устанавливаются соответствующие коэффициенты надежности по нагрузкам γ_f . Для постоянных нагрузок от веса конструкций γ_f определяются по табл.1 СНиП 2.01.07-85*. Например, для бетонных ( со средней плотностью ρ > 1600 кг/м³), ж/б, каменных и деревянных конструкций γ_f = 1,1; для стяжек, засыпок, теплоизоляционных слоев, выполняемых на строительной площадке γ_f = 1,3

Расчетные временные нагрузки

Для временных нагрузок на перекрытия и лестницы γ_f =1,3 или 1,2 (п.3.7 СНиП) с нормативным значением ρ_n<2 кПа или ρ_n ≥ 2 кПа соответственно.

Несколько отличается методика определения расчетной снеговой нагрузки. Так полное значение расчетной снеговой нагрузки на горизонтальную поверхность покрытия определяется по формуле

s = s_q μ

где s_q – вес снегового покрова на 1м² горизонтальной проекции поверхности земли (табл.4 СНиП) в зависимости от снегового района РФ (карта1 Приложения СНиП). Так Калининградская область относится ко 2 району и

s_q =1,2 кПа

μ – коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытии. Коэффициент учитывает, что на крутых кровлях (α≥60⁰) снег практически не задерживается и тогда μ=0, при уклонах кровли α≤30⁰ μ=1, т.е. считается что весь снег остается на крыше. При промежуточных значениях наклона кровли μ принимается по интерполяции. Кроме того, при определении снеговой нагрузки учитывается вероятность неравномерного распределения снега по кровле (см. Приложение3 СНиП)

Для ветровых нагрузок коэффициент надежности по нагрузке принимается γ_f = 1,4

Сочетания нагрузок

Нагрузки действуют, как правило, не отдельно, а в сочетании друг с другом. Различают:

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

· особое сочетание нагрузок, состоящее из постоянных, длительных, возможных кратковременных и одной из особых нагрузок.

При основном сочетании, если принята одна кратковременная нагрузка, она принимается без уменьшения, если приняты две и более, они домножаются на коэффициент 0,9, а длительные нагрузки на коэффициент 0,95.

При особом сочетании кратковременные нагрузки принимаются с коэффициентом 0,8, особые – без снижения, длительные – с коэффициентом 0,95.

Единицы измерения, используемые при расчетах строительных конструкций, определяются СН 528-80 «Перечень единиц физических величин, подлежащих к применению в строительстве»

Зная плотность материала, можно определить его удельный вес:

γ = ρ g , Н/м³

g – ускорение свободного падения g =9,81 м/с² (допускается 10).

Для ориентировки следует знать: 1кПа = 1кН/м² ; 1МПа = 1000кПа = 1000кн/м² = 0,1кн/см²;

Например: Плотность железобетона ρ= 2500 кг/м³. Определить удельный вес железобетона

γ = ρ g = 2500 ^. 10 = 25000 Н/м³ = 25 кН/м³

Задача. Определить нагрузку от собственного веса железобетонной колонны сечением b x h =300 x 300 и высотой l = 4,5 м

Решение

Находим объем колонны V = b h l =0,3 ^.0,3 ^. 4,5 = 0,405 м³

Принимая удельный вес из предыдущего примера, находим нормативную нагрузку от собственного веса колонны

N_n= γ V = 25 ^. 0,405 = 10,125 кН

Определяем расчетную нагрузку от собственного веса колонны, принимая коэффициент надежности по нагрузке ( табл.1 СНиП)

N = N_n γ_f = 10,125 ^. 1,1 = 11,138 кН

Нагрузку от собственного веса сборных ж/б конструкций можно определить, пользуясь массами этих конструкций, которые указаны в каталогах. Для конструкций, выполняемых из стального проката, масса приводится в сортаменте.

Пример. Масса ж/б балки 1,5 т. Определить нагрузку от собственного веса.

Нормативная нагрузка N_n= m g = 1,5 ^. 10 = 15 кН (если вместо тонн подставить килограммы, то получим ньютоны)

Расчетная нагрузка N = N_n γ_f = 15 ^. 1,1 = 16,5 кН.

Задача. Определить нагрузку от собственного веса равнополочного уголка 50 ^х 50 ^х 5 длиной l = 5,0 м.

В соответствии с сортаментом уголков масса 1 п.м. длины равна 3,77 кг/м. Нормативная нагрузка от уголка

N_n=m g l=3,77 ^. 10 ^. 5,0 = 188,5 Н = 0,1885 кН

Расчетная нагрузка N = N_n γ_f = 0,1885 ^. 1,05 = 0,198 кН

При определении нагрузок от часто встречающихся стандартных плит перекрытия нормативная нагрузка, приходящаяся на м², определяется заранее и выписывается в таблицу, так же поступают с рулонными и листовыми материалами.

Временные нагрузки на перекрытия зданий принимаются по табл.3 СНиПа, где приводятся полные и пониженные значения нагрузки. Пониженное значение соответствует длительной части временной нагрузки.

Пример. Определить временную нагрузку на перекрытие квартир жилых зданий.

Решение

1. Выписываем из табл.3 СНиП нормативные значения временных нагрузок. Полное нормативное значение соответствует кратковременной нагрузке на перекрытие квартиры р_п = 1,5 кПа, пониженное значение = 0,3 кПа – длительная часть временной нагрузки.

2. Расчетное значение временных нагрузок

р=р_п γ_f=1,5 ^. 1,3 = 1,95 кПа - полное

р_i=р_пi γ_f= 0,3 ^. 1,3 = 0,39 кПа – пониженное

При определении нагрузок на 1м² от конструкций, расположенных с определенным шагом, необходимо нагрузки от собственного веса одного погонного метра конструкции разделить на шаг конструкции.

Пример. Определить нагрузку на 1м²от веса деревянных лаг, расположенных с шагом а=0,4м. Сечение лаг 50х50, плотность древесины р=500 кГ/м³

Решение

1. Определяем удельный вес древесины

γ = ρ g = 500 ^. 10 = 5000 Н/м³ = 5 кН/м³

2. Находим нормативную нагрузку на 1м² от веса лаг

qⁿ =bhγ/a = 0,05^.0,05^.5,0/0,4 = 0,031кПа

3. Определяем расчетную нагрузку на 1м²

q = qⁿ γ_f=0,031^. 1,1 = 0,034 кПа

Пример. Выполнить сбор нагрузок на низ колонны. Сбор нагрузок обычно выполняется последовательно сверху вниз.

qⁿ (кН/м²)= t (м) х ρ (кГ/м³) х g / 1000 (кПа)

После определения нагрузок на 1м² нагрузки собираются на рассчитываемый элемент (конструкцию). Нагрузка на рассчитываемый элемент передается с площади, которая называется грузовой (А_гр)

1. Собираем нагрузки на 1м² покрытия (включая снеговую)

2. Собираем нагрузки на 1 м² перекрытия (постоянные и временные)

3. Определяем нагрузку от кирпичной колонны для чего:

· Находим высоту колонны по разрезу здания Н

· Находим нормативную нагрузку

Nⁿ _c = b_c h_c H γ = , кН

γ - удельный вес кирпича 18 кн/м³

· Расчетная нагрузка N _c = Nⁿ _c γ_f = …, кн

4. Определяем нагрузку от веса ж/б балок

· Принимаем сечение балок b ^х h = … ^x … mm,

· Находим нормативную нагрузку

Nⁿ _балки = b h l γ_бетона = …, кН

γ_бетона - удельный вес железобетона 25 кн/м³

· Расчетная нагрузка N _балки = Nⁿ _балки γ_f = …, кн (всего на колонну передается нагрузка от одной балки покрытия и одной балки перекрытия)

· Собираем нагрузку на низ колонны

5. Собираем нагрузку на низ колонны (верхний обрез фундамента)

N_n = qⁿ_{покрытия} А_гр + qⁿ_{перекрытия} А_гр+ 2 ^. Nⁿ _балки + Nⁿ _с

N = q_{покрытия} А_гр + q_{перекрытия} А_гр+ 2 ^. N _балки + N _с

При расчетах конструкций необходимо помнить, что расчетные нагрузки необходимо умножать на коэффициент надежности по ответственности γ_п = 0,95 (для большинства жилых и общественных зданий)

Литература: В.И. Сетков «Строительные конструкции»,М.,

ИНФРА-М,2009, с. 50-64