Виды нагрузок и воздействий
СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия» Актуализированная редакция СНиП 2.01.07–85*:
1.4 При проектировании следует учитывать нагрузки, возникающие при возведении и эксплуатации сооружений, а также при изготовлении, хранении и перевозке строительных конструкций.
4 Общие требования
4.1 Основными характеристиками нагрузок, установленными в настоящих нормах, являются их нормативные (базовые) значения.
При необходимости учета влияния длительности нагрузок, при проверке на выносливость и в других случаях, оговоренных в нормах проектирования конструкций и оснований, кроме того, устанавливаются пониженные нормативные значения нагрузок от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий, от мостовых и подвесных кранов, снеговых, температурных климатических воздействий.
4.2 Расчетное значение нагрузки следует определять как произведение ее нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке, соответствующий рассматриваемому предельному состоянию. Минимальные значения коэффициента надежности определяются следующим образом:
а) при расчете по предельным состояниям 1-й группы – в соответствии с 7.2-7.4, 8.1.4, 8.2.2, 8.3.4, 8.4.5, 9.8, 10.12, 11.1.12, 12.5, 13.8;
б) при расчете по предельным состояниям 2-й группы – принимаются равными единице, если в нормах проектирования конструкций и оснований не установлены другие значения.
4.3 В особых сочетаниях (см. 6.2) коэффициент надежности по нагрузке для постоянных, длительных и кратковременных нагрузок следует принимать равным единице, за исключением случаев, оговоренных в других нормативных документах.
4.4 Расчетные значения климатических нагрузок и воздействий (снеговые и гололедные нагрузки, воздействия ветра, температуры и др.) допускается назначать в установленном порядке на основе анализа соответствующих климатических данных для места строительства.
4.5 При расчете конструкций и оснований для условий возведения зданий и сооружений расчетные значения снеговых, ветровых, гололедных нагрузок и температурных климатических воздействий следует снижать на 20 %.
5 Классификация нагрузок
5.1 В зависимости от продолжительности действия нагрузок следует различать постоянные Рd и временные (длительные Рl, кратковременные Рt, особые Рs) нагрузки.
5.2 Нагрузки, возникающие при изготовлении, хранении и перевозке конструкций, а также при возведении сооружений, следует учитывать в расчетах как кратковременные нагрузки.
Нагрузки, возникающие на стадии эксплуатации сооружений, следует учитывать в соответствии с указаниями 5.3–5.6.
5.3 К постоянным Рd нагрузкам следует относить:
а) вес частей сооружений, в том числе вес несущих и ограждающих строительных конструкций;
б) вес и давление грунтов (насыпей, засыпок), горное давление;
в) гидростатическое давление.
Сохраняющиеся в конструкции или основании усилия от предварительного напряжения следует учитывать в расчетах как усилия от постоянных нагрузок.
5.4 К длительным Рl нагрузкам следует относить:
а) вес временных перегородок, подливок и подбетонок под оборудование;
б) 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;
в) давление газов, жидкостей и сыпучих тел в емкостях и трубопроводах, избыточное давление и разрежение воздуха, возникающее при вентиляции шахт;
г) нагрузки на перекрытия от складируемых материалов и стеллажного оборудования в складских помещениях, холодильниках, зернохранилищах, книгохранилищах, архивах и подобных помещениях;
д) температурные технологические воздействия от стационарного оборудования;
е) вес слоя воды на плоских водонаполненных покрытиях;
ж) вес отложений производственной пыли, если не предусмотрены соответствующие мероприятия по ее удалению;
з) пониженные нагрузки, перечисленные в 4.1;
и) воздействия, обусловленные деформациями основания, не сопровождающимися коренным изменением структуры грунта, а также оттаиванием вечномерзлых грунтов;
к) воздействия, обусловленные изменением влажности, усадкой и ползучестью материалов.
5.5 К кратковременным нагрузкам Рt следует относить:
а) нагрузки от оборудования, возникающие в пускоостановочном, переходном и испытательном режимах, а также при его перестановке или замене;
б) вес людей, ремонтных материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования;
в) нагрузки от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий с полными нормативными значениями, кроме нагрузок, указанных в 5.4, а, б, г, д;
г) нагрузки от подвижного подъемно-транспортного оборудования (погрузчиков, электрокаров, кранов-штабелеров, тельферов, а также от мостовых и подвесных кранов с полным нормативным значением), включая вес транспортируемых грузов;
д) нагрузки от транспортных средств;
е) климатические (снеговые, ветровые, температурные и гололедные) нагрузки.
5.6 К особым Рs нагрузкам следует относить:
а) сейсмические воздействия;
б) взрывные воздействия;
в) нагрузки, вызываемые резкими нарушениями технологического процесса, временной неисправностью или поломкой оборудования;
г) воздействия, обусловленные деформациями основания, сопровождающимися коренным изменением структуры грунта (например, при замачивании просадочных грунтов) или оседанием его в районах горных выработок и в карстовых;
д) нагрузки, обусловленные пожаром;
е) нагрузки от столкновений транспортных средств с частями сооружения.
Расчетные значения особых нагрузок устанавливаются в соответствующих нормативных документах или в задании на проектирование.
Расчет конструкций
Определение прочности и устойчивости как отдельных узлов и элементов , так и зданий или сооружений в целом
Статистические и динамические расчеты по пространственным схемам позволяют определить напряженно-деформированное состояние конструкций и запроектировать здание или сооружение с максимальной экономией материала, но не в ущерб прочности и устойчивости системы.
Цель расчета строительных конструкций — обеспечить заданные условия эксплуатации и необходимую прочность при минимальном расходе материалов и минимальной затрате труда на изготовление и монтаж.
Строительные конструкции рассчитывают на силовые и другие воздействия, определяющие их напряженное состояние и деформации, по предельным состояниям.
Под предельными состояниями подразумевают такие состояния, при которых конструкции перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям или требованиям при производстве работ.
В расчетах конструкций на действие статических и динамических нагрузок и воздействий, которым они могут подвергаться в течение строительства и заданного срока службы, учитываются следующие предельные состояния:
- первой группы — по потере несущей способности и (или) полной непригодности к эксплуатации конструкций;
- второй группы — по затруднению нормальной эксплуатации сооружений.
К предельным состояниям первой группы относятся: общая потеря устойчивости формы; потеря устойчивости положения; разрушение любого характера; переход конструкции в изменяемую систему; качественное изменение конфигурации; состояния, при которых возникает необходимость прекращения эксплуатации в результате текучести материала, сдвигов в соединениях, ползучести, недопустимых остаточных или полных перемещений или чрезмерного раскрытия трещин.
Первая группа по характеру предельных состояний разделяется на две подгруппы: по потере несущей способности (первые пять состояний) и по непригодности к эксплуатации (шестое состояние) вследствие развития недопустимых по величине остаточных перемещений (деформаций).
К предельным состояниям второй группы относятся состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию или снижающие долговечность вследствие появления недопустимых перемещений (прогибов, осадок, углов поворота, колебаний, трещин ).
Предельные состояния первой группы проверяются расчетом на максимальные (расчетные) нагрузки и воздействия, возможные при нарушении нормальной эксплуатации, предельные состояния второй группы — на эксплуатационные (нормативные) нагрузки и воздействия, отвечающие нормальной эксплуатации конструкций.
Надежность и гарантия от возникновения предельных состояний конструкции обеспечиваются надлежащим учетом возможных наиболее неблагоприятных характеристик материалов; перегрузок и наиболее невыгодного (но реально возможного) сочетания нагрузок и воздействий; условий и особенностей действительной работы конструкций и оснований; надлежащим выбором расчетных схем и предпосылок расчета, учетом в необходимых случаях пластических и реологических свойств материалов.
Нагрузки и воздействия
В процессе эксплуатации конструкции подвергаются различным нагрузкам и воздействиям.
Работа конструкции, а следовательно, и особенности ее расчета во многом зависят от природы, характера и продолжительности воздействий. Так, при взрыве следует учитывать влияние скорости нагружения на свойства материала; при воздействии низких температур — повышенную опасность хрупкого разрушения; при продолжительном воздействии — ползучесть материала.
Классификация нагрузок и воздействий. По своей природе нагрузки и воздействия подразделяют на:
- нагрузки от собственного веса конструкций;
- технологические нагрузки (вес оборудования, складируемых материалов, людей, давление жидкостей, газов, сыпучих материалов );
- атмосферные нагрузки (снег, ветер, гололед);
- температурные (технологические и климатические) воздействия;
- монтажные нагрузки;
- сейсмические и взрывные воздействия;
- аварийные нагрузки, возникающие при резком нарушении технологического процесса, поломках оборудования, обрывах проводов линий электропередачи
Все эти нагрузки и воздействия вызывают в конструкциях усилия и перемещения и могут быть отнесены к прямым воздействиям. Кроме них на конструкции могут влиять биологические (гниение), химические (коррозия), радиационные и другие воздействия. Эти воздействия приводят к изменению свойств материала (снижению ударной вязкости при радиационном воздействии), меняют параметры работы элементов (уменьшение толщины элементов, повышение концентрации напряжений при коррозии) и в итоге влияют на несущую способность и долговечность конструкций. Такие воздействия называют косвенными.
Под характером воздействия будем понимать скорость и частоту приложения нагрузок. По этому признаку нагрузки подразделяют на статические, динамические и переменные многократно повторяющиеся.
При статических нагрузках скорость нагружения равна нулю или настолько мала, что вызываемые ими инерционные силы в расчете можно не учитывать и использовать методы статики сооружений.
При динамических нагрузках скорость нагружения высока и вызываемые ими инерционные силы необходимо учитывать при расчете конструкций. В этих случаях используются методы динамики сооружений. Нормы на проектирование стальных конструкций допускают учитывать влияние динамического характера нагрузок путем умножения статической нагрузки на коэффициент динамичности, устанавливаемый на основании теоретических или экспериментальных исследований.
При воздействии переменных многократно повторяющихся нагрузок в конструкциях могут возникнуть усталостные разрушения. В этом случае конструкции необходимо проверить на выносливость.
В зависимости от продолжительности действия нагрузки делят на постоянные и временные. Временные нагрузки в свою очередь подразделяют на длительные, кратковременные и особые.
Постоянными нагрузками называют такие, которые действуют на конструкцию постоянно: собственный вес строительных конструкций, давление фунта, воздействие предварительного напряжения конструкций
Длительными нагрузками называют такие, которые действуют на конструкцию продолжительное время (но могут и отсутствовать): вес технологического оборудования, вес складируемых грузов, давление жидкостей и газов в резервуарах и трубопроводах.
Кратковременными нагрузками называют нагрузки, действующие непродолжительное время: снег, ветер, подвижные краны, нагрузки, возникающие при транспортировке, монтаже, ремонтах и испытаниях конструкций, температурные климатические воздействия
Особые нагрузки — это нагрузки, которые могут появиться в исключительных случаях: сейсмические воздействия, аварийные нарушения технологического процесса, резкие просадки грунтов.
Нормативные и расчетные нагрузки. Все нагрузки в той или иной степени случайны и при математическом описании могут быть представлены в виде случайных величин (например, собственный вес конструкций) или случайных функций времени (например, ветер). Однако при расчете конструкций по предельным состояниям мы принимаем детерминированные значения нагрузок. Поэтому для обеспечения необходимого уровня надежности при расчете конструкций по первой группе предельных состояний следует принимать максимальные значения нагрузок с высокой степенью обеспеченности. При расчете по второй группе предельных состояний, в условиях нормальной эксплуатации, обеспеченность может быть ниже.
Основные положения по расчету устанавливают два значения нагрузок: нормативные и расчетные.
Нагрузки, отвечающие условиям нормальной эксплуатации, называют нормативными. Их величину устанавливают в нормах проектирования, оговаривают в техническом задании или определяют по проектным значениям геометрических параметров оборудования или конструкций.
Возможное отклонение нагрузок в неблагоприятную (большую пли меньшую) сторону от их нормативных значений как вследствие естественной изменчивости нагрузок, так и отступлений от условий нормальной эксплуатации учитывается коэффициентом надежности по нагрузке γƒ. Значение этого коэффициента зависит от характера нагрузки и степени ее изменчивости. Так, нагрузки от собственного веса металлических конструкции могут отклоняться от нормативной в достаточно узких пределах (за счет допусков на размеры сечении, точности резки ), поэтому для этой нагрузки γƒ = 1,05.Снеговая же нагрузка меняется в весьма широких пределах и для нее коэффициент надежности по нагрузке достигает 1,6.
Значения коэффициентов надежности, но нагрузке определяют на основании статистической обработки результатов наблюдений, экспериментальных исследований или устанавливают на основании опыта проектирования.
Умножая нормативные значения нагрузок на коэффициенты надежности по нагрузке, получают, i>расчетные нагрузки F = Fnγƒ; q = qsub>nγƒ,
где Fn, qn — нормативные нагрузки.
Расчетные нагрузки представляют собой наибольшие в вероятностном смысле нагрузки и воздействия за время эксплуатации сооружения и имеют высокую обеспеченность. Для большинства расчетных нагрузок обеспеченность превышает 0,99.
Следует подчеркнуть, что коэффициенты надежности по нагрузке учитывают только изменчивость нагрузки и возможность превышения ею нормативных значений. Они не учитывают динамического характера нагрузки или перспективного возрастания нагрузки со временем, например при модернизации производства и смене оборудования. Эти факторы при необходимости учитывают отдельно.
Сочетания нагрузок. Как правило, на сооружение действует не одна, а несколько нагрузок. При расчете конструкций необходимо выбрать наиболее неблагоприятное их сочетание, позволяющее получить в каждом элементе максимальное из возможных усилие. Однако вероятность одновременного воздействия на сооружение всех возможных расчетных нагрузок очень мала, и если мы запроектируем сооружение на такую комбинацию нагрузок, то оно будет иметь излишние запасы несущей способности. Поэтому в нормах на проектирование установлены две категории расчетных сочетаний нагрузок:
- основные сочетания, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок;
- особые сочетания, включающие кроме постоянных, длительных и кратковременных нагрузок одну из особых нагрузок.
Расчет удобно проводить на каждую нагрузку отдельно, а затем определять наиболее неблагоприятное сочетаний усилий. Если в основное сочетание входит одна временная нагрузка, ее принимают без снижения. При двух и более временных нагрузках основного сочетания их умножают на коэффициент сочетания ψ, учитывающий малую вероятность совместного действия расчетных значений. Для временных длительных нагрузок ψ1 = 0,95, для кратковременных ψ2 = 0,9. В особых сочетаниях ψ1 = 0,95, ψ1 = 0,8. при этом особую нагрузку принимают без снижения. Для сейсмических районов значения коэффициентов сочетаний установлены в специальных нормах.
Смотрите также Расчет конструкций
Сбор нагрузок для расчета конструкций — основные принципы
Для расчета любой конструкции первым делом нужно собрать нагрузки. Разберемся с самой сутью: какие нагрузки могут возникнуть при расчете здания?
Во-первых, это собственный вес конструкций (крыши, перекрытий, стен, полов, перегородок, лестниц и т.п.). При расчете жилых домов это, чаще всего, самая серьезная нагрузка.
Как определяется собственный вес? Нужно знать, сколько весит материал, т.е. его объемный вес или плотность (кг/м 3 ), затем определить габариты конструкции и выбрать коэффициент надежности по нагрузке (ДБН В.1.2-2:2006 «Нагрузки и воздействия», раздел 5).
Например, есть стена из кирпича объемным весом 1800 кг/м 3 (толщиной 0,250 м) с утеплителем объемным весом 60 кг/м 3 (толщиной 0,08 м). Высота стены 3,3 м. Коэффициент надежности по нагрузке для каменных конструкций — 1,1. Определим, какая нагрузка от стены приходится на ленточный фундамент. Нагрузка обычно определяется на 1 погонный метр конструкции:
1,1*1800*3,3*0,25 + 1,2*60*3,3*0,08 = 1653 кг/м.
В таблице 1 приведен объемный вес некоторых строительных материалов.
Таблица 1 (информация взята из справочника)
Объемный вес, кг/м 3
Кладка из искусственных камней
Кладка из глиняного обыкновенного или силикатного кирпича на тяжелом растворе
То же на сложном растворе (цемент, известь, песок)
То же, на теплом или известковом растворе
Кладка из пустотелого кирпича
Кладка из пустотелого пористого кирпича
Кладка из керамических пустотелых блоков
Кладка из шлакового кирпича
Кладка из естественных камней
Правильная кладка из твердых пород (мраморная, гранитная)
То же, из плотных пород (известняк, песчанник)
То же из легких пород (туф, ракушечник)
Бутовая кладка из твердых пород (мраморная, гранитная)
То же, из плотных пород (известняк, песчанник)
То же из легких пород (туф, ракушечник)
Бетоны и кладка из бетонных камней
Бетон на щебне (гравии) твердых пород, невибрированный
То же, вибрированный
Бетон на кирпичном щебне
Бетон на гранулированном шлаке
Бетон на котельном шлаке
Бетоны ячеистые автоклавные (газобетон, пенобетон)
Кладка из бетонных камней (в зависимости от рода заполнителя и объемного веса бетона)
Невибрированный на гранитном щебне
Вибрированный на гранитном щебне
Невибрированный на кирпичном щебне
Вибрированный на кирпичном щебне
На пемзе или туфе
Мелочь из пемзы, туфа
Торф, сфагнум в набивке
Шлак доменный гранулированный
Растворы и штукатурки
Сложный раствор (цемент, известь, песок)
Теплый раствор (цемент, известь, шлак)
Гипсовый раствор из чистого гипса
Гипсобетоны с заполнителями
Сосна, ель воздушно-сухая (поперек волокон)
Плиты древесноволокнистые (ДВП)
Асбестоцементные плитки и листы
Асбестоцементные термоизоляционные плиты
Гипсовые плиты с опилками и стружками
Толь, рубероид, пергамин
Коэффициенты надежности по нагрузке для веса конструкций, материалов и засыпок (ДБН В.1.2-2:2006 «Нагрузки и воздействия», раздел 5):
— металлические конструкции — 1,1;
— бетонные (со средней плотностью свыше 1600 кг/м3), железобетонные, каменные, армокаменные, деревянные — 1,1;
— бетонные (со средней плотностью 1600 кг/м3 и менее), изоляционные, выравнивающие и отделочные слои (плиты, рулонные материалы, засыпки, стяжки и т.п., выполняемые в заводских условиях — 1,2, на строительной площадке — 1,3;
— насыпные грунты — 1,15.
Второй тип нагрузки — это временная (переменная) нагрузка (от снега, людей, мебели и прочего). Величину временной нагрузки придумывать не нужно, она четко регламентирована в ДБН В.1.2-2:2006 «Нагрузки и воздействия», раздел 6 и таблица 6.2.
Для жилого дома нам нужно знать следующие нагрузки:
1. Нагрузка на перекрытие в жилых помещениях — 150 кг/м2 (коэффициент надежности 1,3).
2. Нагрузка на перекрытие в чердачном помещении — 70 кг/м2 (коэффициент надежности 1,3).
3. Снеговая нагрузка — согласно разделу 8 ДБН В.1.2-2:2006 «Нагрузки и воздействия» для вашего района.
Переменная нагрузка состоит из долговременной и кратковременной части. В расчете разных конструкций необходимо прикладывать либо полную временную, либо кратковременную или длительную нагрузку. В методиках расчетов всегда оговаривается, какая нагрузка нужна, а с помощью ДБН можно разобраться с величинами нагрузок, которые нужно прикладывать в конкретном случае.
Более глубоко вопрос видов нагрузок и коэффициентов к ним рассмотрен в статье Сочетания нагрузок или как выбрать нужные коэффициенты
Реферат на тему: «Методы расчета нагрузок на строительные конструкции»
Методы расчета нагрузок на строительные конструкции представляют собой важный аспект инженерной деятельности в области строительства. Эти методы используются для определения того, какие нагрузки могут возникнуть на конструкции во время эксплуатации и как ими нужно управлять, чтобы обеспечить безопасность и надежность зданий и сооружений.
Одним из основных методов расчета нагрузок является статический расчет. Он базируется на принципах равновесия и позволяет определить внутренние усилия и моменты в конструкциях под воздействием постоянных и временных нагрузок. Статический расчет используется для определения необходимых сечений элементов конструкции, выбора материалов и оценки их прочности.
Динамический расчет применяется в случаях, когда конструкции подвержены динамическим нагрузкам, таким как вибрации, удары или воздействие ветра. Он учитывает изменение нагрузок во времени и позволяет определить реакцию конструкции на динамические воздействия. Динамический расчет важен при проектировании зданий, мостов, а также виброизоляции.
Еще одним методом расчета является расчет на прочность. Он направлен на определение того, может ли конструкция выдержать заданные нагрузки без разрушения или деформации. Расчет на прочность включает в себя оценку напряженно-деформированного состояния материалов и элементов конструкции при действии нагрузок.
При расчете нагрузок на строительные конструкции также учитываются различные стандарты и нормативы, устанавливающие требования к безопасности и надежности строительных работ. Эти нормативы определяют характеристики нагрузок, такие как вес снега, ветра, сейсмические нагрузки и другие.
С развитием компьютерных технологий стали широко применяться численные методы расчета, такие как метод конечных элементов (МКЭ). Они позволяют более точно моделировать поведение конструкций при сложных нагрузках и условиях, что улучшает точность и эффективность проектирования.
Еще одним важным методом расчета нагрузок является расчет на устойчивость конструкций. Он направлен на определение способности конструкции устоять против боковых отклонений или боковых нагрузок, которые могут привести к ее опрокидыванию или неконтролируемым деформациям. Устойчивость является критическим аспектом при проектировании высоких зданий, башен, мостов и других сооружений, подверженных вертикальным и горизонтальным нагрузкам.
Также стоит учитывать методы расчета динамических нагрузок, таких как сейсмические нагрузки. Сейсмические расчеты используются для определения того, как здания и сооружения будут реагировать на землетрясения. Они включают в себя анализ сейсмических сил и деформаций, а также определение мер безопасности, таких как укрепление и амортизация.
Современные методы расчета нагрузок включают в себя исследования и анализ воздействия окружающей среды на конструкции. Это включает в себя расчет воздействия влажности, температуры, агрессивных химических веществ и других факторов на материалы и элементы конструкции. Этот анализ помогает обеспечить долговечность и устойчивость конструкций в различных климатических условиях.
С развитием вычислительных мощностей и программного обеспечения стало возможным проводить более сложные и точные расчеты нагрузок, что увеличивает уровень безопасности и эффективности в строительстве. Эти методы также позволяют сокращать время и затраты на проектирование и строительство.
Наконец, важно отметить, что выбор методов расчета нагрузок зависит от конкретных условий и требований проекта. Инженеры и архитекторы должны учитывать множество факторов, таких как тип конструкции, местоположение, назначение и окружающую среду, чтобы выбрать наиболее подходящие методы и обеспечить безопасное и надежное выполнение строительных работ.
В заключение, методы расчета нагрузок на строительные конструкции играют важную роль в обеспечении безопасности и надежности зданий и сооружений. Они позволяют инженерам и архитекторам проектировать и строить здания, которые выдерживают нагрузки и обеспечивают долгий срок службы. Эти методы постоянно совершенствуются и адаптируются к изменяющимся условиям и требованиям в области строительства.