Виды нагрузок, действующих на конструкции зданий и других сооружений, можно разделить на вертикальные, горизонтальные и продольные нагрузки. Вертикальные нагрузки состоят из мертвой нагрузки, живой нагрузки и ударной нагрузки.
Горизонтальные нагрузки включают ветровую нагрузку и нагрузку от землетрясения. Продольные нагрузки, т.е. силы тяги и торможения, рассматриваются в особых случаях при проектировании мостов, козловых балок и т.д..
Виды нагрузок на конструкции и здания
При строительстве зданий учитываются два основных фактора – безопасность и экономичность. Если нагрузки определяются и принимаются более высокими, то это сказывается на экономичности. Если учитывается экономия, а нагрузки принимаются меньшими, то страдает безопасность.
Поэтому оценка различных действующих нагрузок должна быть рассчитана точно. Индийский стандартный код IS: 875-1987 и Американский стандартный кодекс ASCE 7: Минимальные расчетные нагрузки для зданий и других сооружений определяет различные расчетные нагрузки для зданий и сооружений.
Типы нагрузок, действующих на конструкцию, следующие:
1. Мертвые нагрузки (DL)
Первой вертикальной нагрузкой, которая рассматривается, является мертвая нагрузка. Мертвые нагрузки – это постоянные или стационарные нагрузки, которые передаются на конструкцию в течение всего срока службы. Мертвая нагрузка в основном обусловлена собственным весом конструктивных элементов, постоянных перегородок, стационарного оборудования и весом различных материалов. Она в основном состоит из веса крыши, балок, стен, колонн и т.д., которые в остальном являются постоянными частями здания.
Расчет мертвых нагрузок каждой конструкции рассчитывается по объему каждой секции и умножается на удельный вес. Удельные веса некоторых распространенных материалов представлены в таблице ниже.
Sl. №
Материал
Вес
1
Кирпичная кладка
18,8 кН/м3
2
Каменная кладка
20,4-26,5 кН/м3
3
Обычный цементный бетон
24 кН/м3
4
Армированный цементный бетон
5
Древесина
5-8 кН/м3
Читать: Удельный вес / плотность различных строительных материалов
2. Налагаемые нагрузки или нагрузки под напряжением (IL или LL)
Второй вертикальной нагрузкой, которая учитывается при проектировании конструкции, являются наложенные нагрузки или живые нагрузки. Живые нагрузки – это подвижные или перемещающиеся нагрузки без какого-либо ускорения или удара. Предполагается, что эти нагрузки возникают в результате использования здания по назначению или пребывания в нем людей, включая вес подвижных перегородок, мебели и т.д..
Живые нагрузки изменяются время от времени. Эти нагрузки должны быть соответствующим образом приняты проектировщиком. Это одна из основных нагрузок при проектировании. Минимальные значения действующих нагрузок приведены в IS 875 (часть 2)-1987. Это зависит от целевого использования здания.
В своде правил приведены значения живой нагрузки для следующей классификации помещений:
- Жилые здания – жилые дома, гостиницы, общежития, котельные и цеха, гаражи.
- учебные здания
- Здания учреждений
- Здания для собраний
- Деловые и офисные здания
- Торговые здания
- Промышленные здания, и
- складские помещения.
Кодекс дает равномерно распределенную нагрузку, а также сосредоточенную нагрузку. Плиты перекрытия должны быть рассчитаны на равномерно распределенную или сосредоточенную нагрузку в зависимости от того, что создает большее напряжение в рассматриваемой части. Поскольку маловероятно, что в каждый конкретный момент времени все перекрытия не будут одновременно нести максимальную нагрузку, нормы допускают некоторое снижение приложенных нагрузок при проектировании колонн, несущих стен, опор и фундаментов.
Некоторые из важных значений представлены в таблице ниже, которые являются минимальными значениями, и там, где необходимо, следует принимать больше этих значений.
Однако в многоэтажных зданиях вероятность того, что полная нагрузка будет действовать одновременно на все этажи, очень редка. Поэтому в нормах предусмотрено снижение нагрузок при проектировании колонн, несущих стен, их опор и фундаментов, как показано в таблице ниже.
Количество этажей (включая крышу), которые должна нести рассматриваемая конструкция
Снижение общей распределенной приложенной нагрузки в %
0
10
20
30
5-10
40
Более 10
50
3. Ветровые нагрузки
Ветровая нагрузка – это в первую очередь горизонтальная нагрузка, вызванная движением воздуха относительно земли. Ветровую нагрузку необходимо учитывать при проектировании конструкций, особенно когда высота здания превышает в два раза размеры, поперечные к открытой ветровой поверхности.
Для малоэтажных зданий, скажем, до четырех-пяти этажей, ветровая нагрузка не является критической, поскольку момент сопротивления, обеспечиваемый непрерывностью соединения системы перекрытий с колоннами и стенами между колоннами, достаточен для восприятия действия этих сил. Далее в методе предельного состояния коэффициент расчетной нагрузки снижается до 1,2 (DL+LL+WL), когда учитывается ветер, по сравнению с коэффициентом 1,5 (DL+LL), когда ветер не учитывается.
При проектировании здания необходимо учитывать горизонтальные силы, создаваемые компонентами ветра. Расчет ветровой нагрузки зависит от двух факторов, а именно: скорости ветра и размера здания. Полная информация по расчету ветровой нагрузки на конструкции приведена ниже (по IS-875 (часть 3) -1987).
С помощью цветового кода на карте Индии показано основное ветровое давление “Vb”. Проектировщик может подобрать значение Vb в зависимости от места расположения здания.
Для получения расчетной скорости ветра Vz используется следующее выражение:
Vz = k1.k2.k3.Vb
где k1 = Коэффициент риска
k2 = Коэффициент, основанный на рельефе местности, высоте и размере строения.
k3 = Коэффициент топографии
Расчетное давление ветра определяется следующим образом
pz = 0,6 V2z
где pz – в Н/м2 на высоте Z, а Vz – в м/с. До высоты 30 м считается, что давление ветра действует равномерно. Выше 30 м давление ветра увеличивается.
4. Снеговые нагрузки (SL)
Снеговые нагрузки относятся к вертикальным нагрузкам в здании. Но эти виды нагрузок рассматриваются только в местах выпадения снега. В стандарте IS 875 (часть 4) – 1987 рассматриваются снеговые нагрузки на крыши зданий.
Минимальная снеговая нагрузка на крышу или любую другую надземную часть, подверженную накоплению снега, определяется выражением
Где S = расчетная снеговая нагрузка на площадь крыши.
= коэффициент формы, и
S0 = снеговая нагрузка на грунт.
5. Нагрузки при землетрясениях (EL)
Силы землетрясения представляют собой как вертикальные, так и горизонтальные силы, действующие на здание. Общая вибрация, вызванная землетрясением, может быть разделена на три взаимно перпендикулярных направления, обычно принимаемых за вертикальное и два горизонтальных направления.
Движение в вертикальном направлении не вызывает значительных усилий в надстройке. Но горизонтальное движение здания во время землетрясения должно быть учтено при проектировании.
Реакция конструкции на вибрацию грунта зависит от характера грунта основания, размера и способа строительства, а также от продолжительности и интенсивности движения грунта. В стандарте IS 1893- 2014 приведены детали таких расчетов для сооружений, стоящих на грунтах, которые не будут значительно оседать или скользить в результате землетрясения.
Сейсмические ускорения для проектирования могут быть получены из сейсмического коэффициента, который определяется как отношение ускорения от землетрясения и ускорения от силы тяжести. Для монолитных железобетонных конструкций, расположенных в сейсмической зоне 2, и 3 без высоты более 5 этажей и коэффициентом важности менее 1, сейсмические силы не являются критическими.
6. Другие нагрузки и воздействия, действующие на сооружения
Согласно пункту 19.6 стандарта IS 456 – 2000, в дополнение к рассмотренным выше нагрузкам следует учитывать следующие силы и воздействия, если они могут существенно повлиять на безопасность и работоспособность конструкции:
(a) движение фундамента (см. IS 1904)
(b) упругое осевое укорочение
(c) давление грунта и жидкости (см. IS 875, часть 5)
(d) вибрация
(e) Усталость
(f) ударные нагрузки (см. IS 875, часть 5)
(g) монтажные нагрузки (см. IS 875, часть 2) и
(h) эффект концентрации напряжений из-за точечной нагрузки и тому подобное.
- Концепция проектирования высотных зданий из железобетона.
- Проектирование навесных стен для ветровых нагрузок – детали и расчеты.
- 12 видов нагрузок, учитываемых при проектировании мостовых конструкций.
- Высотные сооружения.
- Как защитить металлические кровельные панели в холодном климате?.
- Концептуальный сейсмический проект моста с вантовой опорой и его компоненты.
- Предварительно спроектированные металлические здания – последние тенденции.