Министерство образования и науки Челябинской области

НАЗВАНИЕ ВАШЕГО ИНСТИТУТА

«Физические процессы материалов под внешней нагрузкой.

Выполнил студент заочного.отд.гр. …..

Сухоруков А.В.

Проверил ф.и.о.преподавателя доцент

Физические процессы, проистекающие в природе, означают изменение формы тела, его положения или агрегатного состояния. Изменения массы, длины и ширины, времени и температуры тел измеряются и документируются. Также и запланированные изменения физического состояния материалов принимаются в расчет с тем, чтобы по окончанию работ выйти на нужные показатели. Изменение формы предметов, например, изгиб арматуры, выполняется при помощи машин и механизмов. Для начала - все, что нас окружает и даже входит в наш состав, можно представить в виде физических сил, а физические силы принято делить на внешние и внутренние. При этом внешние силы называются нагрузками, а внутренние силы - напряжениями. Причем в зависимости от характера решаемой задачи внешние силы могут рассматриваться как внутренние и наоборот. Делать это относительно легко и незаметно для стороннего наблюдателя позволяет сила мысли, в частности закон равнодействия сил, сформулированный Ньютоном. Смысл этого закона сводится к тому, что сила противодействия равна по значению силе действия и направлена в противоположную сторону. Этот закон позволяет относительно легко составлять и решать уравнения равновесия системы. Нагрузками - внешними силами - занимается теоретическая механика, а напряжения - внутренние силы - удел теории сопротивления материалов и различных теорий упругости.. Как в исследуемом материале возникают напряжения, как они распределены по длине, ширине и высоте элемента, куда направлены и чему равны - отдельная большая тема, нас же в данном случае интересует, откуда берутся внешние нагрузки, эти самые внутренние напряжения вызывающие.

Нагрузками, наиболее часто рассматриваемыми при расчете строительных конструкций, являются массы тел (причем далеко не всегда только физическая масса, а иногда еще и инерционная, но об этом чуть позже) и разница давлений. Но это далеко не все, что можно сказать о нагрузках.

В теоретической механике и сопромате принято различать нагрузки, действующие на рассчитываемые конструкции или элементы конструкций, по различным признакам. Одним из таких признаков является время действия нагрузки. По времени действия нагрузки делятся на постоянные и временные:

Постоянные нагрузки.

Нагрузки, действующие на конструкцию в течение всего времени эксплуатации конструкции, будь то одна секунда или одно тысячелетие.

Как правило к постоянным нагрузкам относится только нагрузка от собственного веса конструкции. Например, для ленточного фундамента постоянной нагрузкой будет собственный вес всех элементов здания, а для фермы перекрытия - собственный вес верхнего и нижнего пояса, стоек, раскосов и соединительных элементов. При этом для каменных или железобетонных элементов нагрузка от собственного веса может составлять больше половины от расчетной нагрузки, а при расчете фундамента и все 90%, а для металлических и деревянных конструкций покрытий и перекрытий нагрузка от собственного веса как правило не превышает 3-10%.

Временные нагрузки

Это все остальные нагрузки, действующие на конструкцию.

В свою очередь временные нагрузки принято разделять на длительные и кратковременные:

Длительные нагрузки

Нагрузки - время действия которых значительно больше времени, в течение которого в конструкции происходят деформации под действием этих нагрузок.

Дело в том, что любое тело, в том числе и человеческое, под действием нагрузок деформируется, т.е. изменяются геометрические параметры тела, такие как длина, ширина, высота, прямолинейность осей и др., а это может непосредственно влиять на работу рассматриваемого элемента. Например, когда при расчете на прочность (расчет по 1 группе предельных состояний) мы составляем уравнения равновесия для балки, рассматриваемой, как прямолинейный стержень, то влияние деформаций мы при этом не учитываем. Учет деформаций ведется при расчете по 2 группе предельных состояний. Так вот, деформация любого тела - процесс не мгновенный. Проще говоря, на то чтобы материал деформировался - нужно время и чем больше инерционная масса рассматриваемого элемента, тем больше времени на деформацию нужно. Например, для легкого материала, например корабельного паруса из мешковины, порыв ветра может рассматриваться как длительная нагрузка, а вот для каменной стены толщиной в 1 метр тот же порыв ветра может рассматриваться как кратковременная нагрузка. Поэтому деление на длительные и кратковременные нагрузки является достаточно условным и зависит от инерционной массы рассматриваемого материала. А кроме того при этом следует учитывать и другие факторы, влияющие на время развития деформаций. Например, время деформации проседающих или пучинистых грунтов может измеряться неделями и даже месяцами, потому нагрузка от снега, лежащего несколько дней на кровле здания, при расчете фундамента может рассматриваться как кратковременная. А вот при расчете кровельного покрытия эта же нагрузку следует рассматривать как длительную.

Кратковременные нагрузки

Нагрузки - время действия которых сопоставимо со временем, в течение которого конструкция деформируется под действием этих нагрузок.

Но в данном случае для описания кратковременной нагрузки только времени действия недостаточно, потому как, если вы аккуратно поставите на 1 секунду мешок с цементом на пол - это одна нагрузка, а если вы тот же мешок с цементом уроните на пол с высоты 1 метр, при этом время контакта мешка с полом будет составлять все ту же 1 секунду, но это будет уже совсем другая нагрузка.

Для более точного определения нагрузки дополнительно разделяются на статические и динамические.

Статические нагрузки

Условно говоря, это силы, приложенные с минимальным ускорением или с ускорением, стремящимся к нулю.

Таким образом действие инерционной силы при столь малых ускорениях стремится к нулю и расчет ведется только на действие силы от физической массы. Или так: При воздействии статических нагрузок происходит относительно медленное нарастание деформаций, и потому инерционными массами отдельных элементов конструкции, перемещающихся в процессе деформации, можно пренебречь, так как ускорения таких перемещений являются незначительными. В результате этого равновесие между внешними и внутренними силами в любой момент действия статической нагрузки остается как бы неизменным.

К статическим относятся постоянные и длительные нагрузки, иногда кратковременные нагрузки.

Дайте классификацию нагрузок в зависимости от продолжительности их действия на СК.

Классификация нагрузок.

4.1. Дайте классификацию нагрузок в зависимости от продолжительности их действия на СК.

4.2. Какие нагрузки относятся к постоянным? Приведите примеры таких нагрузок.

4.3. Какие нагрузки относятся к временным? Приведите примеры таких нагрузок.

4.4. Какие нагрузки относятся к длительным? Приведите примеры таких нагрузок.

4.5. Какие нагрузки относятся к кратковременным? Приведите примеры таких нагрузок.

4.6. Какие нагрузки относятся к особым? Приведите примеры таких нагрузок.

В зависимости от продолжительности действия нагрузки делят на постоянные и временные. Временные нагрузки, в свою очередь, подразделяют на длительные, кратковременные, особые.

4.2. Какие нагрузки относятся к постоянным? Приведите примеры таких нагрузок.

Постоянные нагрузки от веса несущих и ограждающих конструкций здания по своей природе являются гравитационными.

Постоянными являются нагрузки от веса несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений, массы и давления грунтов, воздействия предварительного напряжения железобетонных конструкций.

4.3. Какие нагрузки относятся к временным? Приведите примеры таких нагрузок.

Временные нагрузки подразделяют на длительные, кратковременные, особые.

4.4. Какие нагрузки относятся к длительным? Приведите примеры таких нагрузок.

Длительными являются нагрузки от веса стационарного оборудования на перекрытиях - станков, аппаратов, двигателей, емкостей и т. п.; давление газов, жидкостей, сыпучих тел в емкостях; нагрузки в складских помещениях, холодильниках, архивах библиотеках и подобных зданиях и сооружениях; установленная нормами часть временной нагрузки в жилых домах, служебных и бытовых помещениях; длительные температурные технологические воздействия от стационарного оборудования; нагрузки от одного подвесного или одного мостового крана, умноженные на определенные коэффициенты.

4.5. Какие нагрузки относятся к кратковременным? Приведите примеры таких нагрузок.

Кратковременными являются нагрузки от веса людей, деталей, материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования - проходах и других свободных от оборудования участках; часть нагрузки на перекрытиях жилых и общественных зданий; нагрузки, возникающие при изготовлении, перевозке и монтаже элементов конструкций; нагрузки от подвесных и мостовых кранов, используемых при возведении или эксплуатации зданий и сооружений; снеговые и ветровые нагрузки; температурные климатические воздействия.

4.6. Какие нагрузки относятся к особым? Приведите примеры таких нагрузок.

К особым нагрузкам относятся: сейсмические и взрывные воздействия; нагрузки, вызываемые неисправностью или поломкой оборудования и резким нарушением технологического процесса (например, при резком повышении или понижении температуры и т. п.); воздействия неравномерных деформаций основания, сопровождающиеся коренным изменением структуры грунта (например, деформации просадочных грунтов при замачивании или вечномерзлых грунтов при оттаивании), и др.

5.1. Что понимается под нормативным значением нагрузки?

5.2. Что понимается под расчетным значением нагрузки?

5.3. Как определяют нормативные значения постоянных нагрузок?

5.4. Как определяют нормативные значения временных нагрузок?

5.5. Как определяют расчетные значения постоянных и временных нагрузок?

5.6. Что принимается за нормативное сопротивление конструкционных строительных материалов?

5.7. Как определяется расчетное сопротивление конструкционных строительных материалов?

5.8. Какие сопротивления (норм. или расч.) используются в расчетах СК по 1-ой группе ПС?

5.9. Какие сопротивления (норм. или расч.) используются в расчетах СК по 2-ой группе ПС?

5.10. Какие нагрузки (норм. или расч.) используются при расчетах СК по 1-ой группе ПС?

5.11. Какие нагрузки (норм. или расч.) используются при расчетах СК по 2-ой группе ПС?

5.1. Что понимается под нормативным значением нагрузки?

В расчетах используют нормативные и расчетные значения нагрузок. Установленные нормами наибольшие значения нагрузок, которые могут действовать на конструкцию при ее нормальной эксплуатации, называют нормативными.

Фактическая нагрузка в силу разных обстоятельств может отличаться от нормативной в большую или меньшую сторону. Это отклонение учитывается коэффициентом надежности по нагрузке.

Нормативные временные технологические и монтажные нагрузки устанавливаются по

наибольшим значениям, предусмотренным для нормальной эксплуатации

5.2. Что понимается под расчетным значением нагрузки?

Расчетное значение нагрузки - предельное (максимальное или минимальное) значение нагрузки в течение срока эксплуатации объекта;

5.3. Как определяют нормативные значения постоянных нагрузок?

Когда-то коэффициент надежности по нагрузке назывался коэффициентом перегрузки – термином более понятным, но не совсем точным. Дело в том, что в целом ряде случаев неблагоприятным является отклонение нагрузки не в большую, а в меньшую сторону, т.е. не перегрузка, а недогрузка. Тогда назначают g f < 1 (например, для собственного веса конструкции при расчете ее на устойчивость от опрокидывания или сдвига).

190. Когда используют расчетные и нормативные нагрузки?

Как уже было сказано в ответе 26, потеря несущей способности конструкций (прочности, устойчивости и т.л.) чревата тяжелыми последствиями, поэтому в расчете по 1-й группе предельных состояний используют не только расчетные сопротивления материалов (взятые с запасом по отношению к нормативным), но и расчетные нагрузки (также взятые с запасом по отношению к нормативным). Короче говоря, запасы вводят с двух сторон.

При расчете по 2-й группе (деформации, трещиностойкость) используют нормативные нагрузки. Исключение составляют элементы 1-й категории трещиностойкости, которые по образованию трещин рассчитывают на воздействие расчетных нагрузок – образование трещин в них приводит к утрате эксплуатационных свойств.

191. С какой целью нагрузку разделяют на постоянную, длительную и кратковременную?

Продолжительность действия нагрузки влияет на прочность и деформативность любых материалов, а бетона в особенности (см. главу 1). Поэтому всю нагрузку разделяют на две части: постоянную и временную, а временную, в свою очередь, – на длительную и кратковременную. Причем постоянную и длительную потом обычно объединяют (суммируют) как нагрузки, действующие продолжительное время. К постоянным относят те нагрузки, которые существуют в течение всей «жизни» здания или сооружения: собственный вес несущих и ограждающих конструкций, вес или боковое давление грунтов и т. п. Разделение же временных нагрузок на длительные и кратковременные является условным, четких границ продолжительности их действия нет, поэтому в каждом конкретном случае необходимо обращаться к Нормам проектирования.

192. Длительной или кратковременной является снеговая нагрузка?

Всё зависит от географического района. В южных районах снега мало и держится он недолго, поэтому там, где нормативная снеговая нагрузка не превышает 7 кПа, всю её относят к кратковременной. В северных районах снеговой покров может держаться 6...8 и даже более месяцев, однако снеговая нагрузка растет постепенно в течение всей зимы, по мере выпадения осадков, поэтому часть нагрузки относят к длительной, а часть – к кратковременной (рис. 97). Причём, чем больше толщина снегового покрова, тем больше доля длительной нагрузки.

193. Как учитывается продолжительность действия нагрузки при проектировании железобетонных конструкций?

При проверке прочности расчётное сопротивление бетона Rb (Rbt ) умножают на коэффициент условий работы g b2 . Если действуют постоянные, длительные и кратковременные нагрузки (кроме так называемых нагрузок «непродолжительного действия», т.е. очень кратковременных – ветровых, крановых, транспортных и т.п.), то g b2 = 0,9. Если действуют нагрузки «непродолжительного действия», то их суммируют с остальными, а Rb (Rbt ) умножают на g b2 = 1,1. Например, в одноэтажном каркасном здании нагрузки от ветра и мостовых кранов (т.е. нагрузки «непродолжительного действия») действуют на колонны, но не действуют на ригели рамы (балки, фермы), поэтому ригели рассчитывают с g b2 = 0,9, а колонны рассчитывают дважды: один раз с g b2 = 1,1 на действие полных нагрузок (FII ), а второй раз – с g b2 = 0,9 на действие тех же нагрузок, но за вычетом крановых и ветровых нагрузок (FI ). Если NI < 0,82NII , то можно ограничиться расчетом только на нагрузки FII (здесь под N подразумеваются любые усилия – изгибающий момент, продольная и поперечная силы, полученные из статического расчета при воздействии соответственно FI и FII ).

С расчётным сопротивлением арматуры сжатию Rsc дело обстоит как раз наоборот: чем продолжительнее действует нагрузка, тем больше предельная сжимаемость бетона s bu , тем выше напряжения сжатия стали (см. вопрос 27). Поэтому, если в расчёте для бетона принято g b2 = 0,9, то значение Rsc можно увеличить с 400 до 500 МПа (если позволяет класс арматуры). При проверке прочности конструкций в стадии перевозки и монтажа, когда нагрузка (собственный вес) действует весьма непродолжительно, принимают g b2 = 1,1, однако величину Rsc уменьшают до 330 МПа, поскольку предельная сжимаемость бетона в этом случае очень мала (см. также вопрос 82).

Чем дольше действует нагрузка, тем больше ползучесть бетона, тем больше прогиб элемента, тем шире раскрываются трещины. Это обстоятельство учитывают специальными коэффициентами: при определении условной критической силы Ncr в расчёте сжатых элементов – коэффициентом j l , при определении прогибов изгибаемых элементов – коэффициентами j b и n , при определении ширины раскрытия трещин – коэффициентом n . В расчёте по раскрытию трещин, кроме того, используют коэффициент j l , который учитывает дополнительное нарушение сцепления арматуры с бетоном по обе стороны трещины при длительном действии нагрузки, что приводит к увеличению ширины раскрытия трещин.

194. Что такое неблагоприятное сочетание нагрузок?

Это такое сочетание, которое вызывает в опасных сечениях максимальные (по модулю) усилия. Какого-то общего рецепта для определения неблагоприятных сочетаний нет, в каждом отдельном случае нужно подходить индивидуально. Например, при статическом расчете одноэтажной поперечной рамы производственного здания нужно выбирать такие направления ветровой и крановой нагрузок, которые вызывают максимальные по модулю изгибающие моменты в расчетных сечениях стоек. Бывают также случаи, когда воздействие одной из нагрузок является благоприятным, поскольку снижает усилия в сечениях. Например, на стенки заглубленного резервуара изнутри действует боковое давление жидкости, а снаружи – разгружающее боковое давление грунта. Поэтому неблагоприятными здесь являются два сочетания: 1)воздействие давления грунта при отсутствии жидкости и 2)воздействие давления жидкости при отсутствии грунтовой засыпки (такое сочетание возникает до сдачи объекта в эксплуатацию: прежде, чем засыпать, резервуар заполняют жидкостью и подвергают испытанию на непроницаемость).

195. Что такое коэффициенты сочетания нагрузок?

Вероятность одновременного действия всех самых невыгодных временных нагрузок мала (например, максимального снегового покрова в сочетании с максимальным скоростным напором ветра, максимальными крановыми нагрузками и т.д.). Кроме того, сама продолжительность их одновременного воздействия незначительна (а выше уже отмечалось, что чем непродолжительнее действуют нагрузки, тем лучше им сопротивляются конструкции). Оба эти обстоятельства позволяют несколько снизить величины временных нагрузок путем умножения их значений на коэффициент сочетаний y (при условии, что число кратковременных нагрузок не менее двух): для длительных нагрузок y = 0,95, для кратковременных y = 0,9.

В расчёте перекрытий многоэтажных зданий сочетания временных нагрузок учитывают несколько иначе. С увеличением грузовой площади конструкции перекрытия (балки или ригеля, см. вопрос 197) вероятность одновременного воздействия на конструкцию максимальной временной равномерно распределенной нагрузки по всей грузовой площади уменьшается, поэтому в ряде случаев (жилые помещения, классные комнаты, торговые залы и пр.) величины временных нагрузок умножают на понижающий коэффициент сочетаний yА .

Уменьшается также вероятность одновременного действия максимальных временных равномерно распределенных нагрузок на перекрытия всех этажей, что при расчёте колонн, стен и фундаментов учитывают коэффициентом сочетаний y n . Формулы для определения yА и y n приведены в Нормах проектирования «Нагрузки и воздействия».

Всё вышеприведенное относится к основному сочетанию, состоящему из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок. Для особого сочетания , в которое, кроме указанных, входят еще и особые нагрузки (взрывные, аварийные и т. п. воздействия), величины длительных нагрузок умножают на y = 0,95, кратковременных – на y = 0,8.

К временным длительным нагрузкам относятся: вес стационарного оборудования; аппаратов, станков, моторов, а также вес жидкостей и твердых тел, заполняющих оборудование; нагрузки на перекрытия от складируемых материалов в книгохранилищах, складах, библиотеках, холодильниках и подобных помещениях. К временным кратковременным нагрузкам относятся: нагрузки от масс людей, снега, ветра, кранов, а также нагрузки, возникающие при монтаже и ремонте конструкции.

Особые нагрузки могут возникать вследствие сейсмических и взрывных воздействий или в результате нарушения технологических процессов. В тех случаях, когда требуется учитывать влияние длительности действия нагрузок на деформации и образование трещин, к длительным нагрузкам относится и часть кратковременных. Это от 30 до 60% снеговой, от 50 до 70% полной нагрузки от мостовых кранов, часть нагрузки от массы людей. Эти нагрузки отнесены к длительным, вследствие того что они могут действовать в течение времени, достаточного для проявления деформаций ползучести, увеличивающих прогиб и ширину раскрытия трещин.

Расчет конструкций по второй группе предельных состояний производят на действие расчетных нагрузок при yf= 1, тем самым учитывается меньшая опасность наступления этих состояний для зданий и сооружений.

Сочетание нагрузок. При эксплуатации зданий все нагрузки могут действовать в различных сочетаниях. Расчет конструкций должен производиться для наиболее неблагоприятного реально возможного их сочетания. Нормами установлены два вида сочетаний нагрузок: основное - постоянные, длительные и кратковременные нагрузки; особое - постоянные, длительные, кратковременные и одна из особых нагрузок. Вероятность одновременного появления наибольших нагрузок учитывается коэффициентами сочетаний ф1 и ф2. Если в основное сочетание включается постоянная и одна временная (длительная или кратковременная), то коэффициенты сочетаний принимаются равными 1; при учете двух и более временных нагрузок последние умножаются на ф1 = 0,95 для длительных нагрузок и на ф2 = 0,9 для кратковременных, так как считается маловероятным, чтобы они одновременно достигали наибольших расчетных значений.

Степень ответственности зданий оценивается размером материального и социального ущерба при их преждевременном разрушении. При проектировании степень ответственности зданий учитывается умножением расчетной нагрузки на коэффициент надежности по назначению, принимаемый в зависимости от класса ответственности зданий. Для сооружений класса I и объектов особо важного народнохозяйственного значения (главные корпуса ТЭС, АЭС, телевизионные башни) γn=1; для сооружений II класса - объектов, имеющих важное народнохозяйственное значение (здания промышленного и гражданского строительства, не входящие в класс I) γn=0,95; для сооружений III класса, имеющих ограниченное народнохозяйственное значение (одноэтажные жилые дома, склады), γn=0,9.