Классификация нагрузок и элементов конструкции. Классификация нагрузок. Постоянные и временные нагрузки и их виды. Особые нагрузки. Нормативные и расчетные значения нагрузок Допущения, связанные с деформацией
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 строительстве зданий очень важно учитывать степень воздействия внешних факторов на его конструкцию. Практика показывает, что пренебрежение данным фактором может привести к трещинам, деформациям и разрушениям строительных конструкций. В данной статье будет рассмотрена подробная классификация нагрузок на строительные конструкции.
Общие сведения
Все воздействия на конструкцию, независимо от их классификации, имеют два значения: нормативное и расчетное. Нагрузки, которые возникают под весом самой конструкции, называют постоянными, так как они непрерывно воздействуют на здание. Временными признаются воздействия на конструкцию природных условий (ветер, снег, дождь и т. д.), вес, распределяющийся на перекрытия здания от скопления большого количества людей и т. д. То есть временные нагрузки - это нагрузки на сооружение, которые в течение какого-либо промежутка могут менять свои значения.
Нормативные значения постоянных нагрузок от веса конструкции рассчитывают исходя из проектных замеров и характеристик, используемых при строительстве материалов. Расчётные значения определяют с помощью нормативных нагрузок с возможными отклонениями. Отклонения могут появиться в результате изменений исходных размеров конструкции или при несоответствии планируемой и фактической плотности материалов.
Классификация нагрузок
Для того чтобы рассчитать степень воздействия на сооружение, необходимо знать его природу. Виды нагрузок определяются по одному основному условию - продолжительности воздействия нагрузки на сооружения. Классификация нагрузок включает в себя:
- постоянные;
- временные:
- длительные;
- кратковременные.
- особые.
Каждый пункт, который включает в себя классификация нагрузок конструкции стоит рассмотреть по отдельности.
Постоянные нагрузки
Как уже упоминалось ранее, к постоянным нагрузкам относят воздействия на сооружение, которое осуществляется непрерывно в течение всего периода эксплуатации здания. Как правило, к ним относят вес самой конструкции. Допустим, для ленточного типа основания здания постоянной нагрузкой будет являться вес всех его элементов, а для фермы перекрытия - вес его поясов, стоек, раскосов и всех соединительных элементов.
Стоит учитывать, что для каменных и железобетонных конструкций постоянные нагрузки могут составлять больше 50% от расчётной нагрузки, а для деревянных и металлических элементов это значение, обычно, не превышает 10%.
Временные нагрузки
Временные нагрузки бывают двух видов: длительные и кратковременные. К длительным нагрузкам на конструкцию относят:
- вес специализированного оборудования и инструмента (станков, аппаратов, конвейеров и т.д.);
- нагрузка, возникающая при возведении временных перегородок;
- вес другого содержимого, находящегося на складах, чердаках, отсеках архивах здания;
- давления содержимого трубопроводов подведенных и находящихся в здании; тепловые воздействия на конструкцию;
- вертикальные нагрузки от мостовых и подвесных кранов; вес природных осадков (снега) и т.д.
- вес персонала, инструмента и оборудования при проведении работ по ремонту и обслуживанию здания;
- нагрузки от людей и животных на перекрытие в жилых помещениях;
- вес электрокаров, погрузчиков в производственных складах и помещениях;
- природные нагрузки на конструкцию (ветер, дождь, снег, гололед).
Особые нагрузки
Особые нагрузки имеют кратковременный характер. В отдельный пункт классификации особые нагрузки относят, так как вероятность их возникновения ничтожно мала. Но все же их стоит учитывать при возведении строительной конструкции. К ним относят:
- нагрузки на здание вследствие стихийных бедствий и аварийных ситуаций;
- нагрузки, возникшей вследствие поломки или неисправности оборудования;
- нагрузки на конструкцию, возникшие вследствие деформации грунта или основания конструкции.
Классификация нагрузок и опор
Опора - это элемент конструкции, который воспринимает на себя внешние силы. Существуют три вида опор в балочных системах:
- Шарнирно-неподвижная опора. Фиксация конечной части балочной системы, при которой она может поворачиваться, но не может перемещаться.
- Шарнирно-подвижная опора. Это такое устройство, в котором конец балки может поворачиваться и перемещаться по горизонтали, но при этом по вертикали балка остается неподвижной.
- Жесткая заделка. Это жесткое закрепление балки, при котором она не может ни переворачиваться, ни перемещаться.
В зависимости от того, как распределяется нагрузка на балочные системы, классификация нагрузок включает в себя сосредоточенные и распределенные нагрузки. Если воздействие на опору балочной системы приходится в одну точку или на очень малую площадь опоры, то ее называют сосредоточенной. Распределенная же нагрузка воздействует на опору равномерно, по всей ее площади.
Просмотр: эта статья прочитана 16953 раз
Pdf Выберите язык... Русский Украинский Английский
Полностью материал скачивается выше, предварительно выбрав язык
Обзор
Основными задачами в технике являются обеспечения прочности, жесткости, устойчивости инженерных конструкций, деталей машин и приборов.
Наука, в которой изучаются принципы и методы расчетов на прочность, жесткость и устойчивость называется сопротивлением материалов .
Прочност ь - это способность конструкции в определенных пределах воспринимать действие внешних нагрузок без разрушения.
Жесткость - это способность конструкции в определенных пределах воспринимать действие внешних нагрузок без изменения геометрических размеров (не деформируясь).
Устойчивость - свойство системы самостоятельно восстанавливать первоначальное состояние после того, как ей было дано некоторое отклонение от состояния равновесия.
Каждый инженерных расчет состоит из трех этапов:
- Идеализация объекта (выделяются наиболее существенные особенности реальной конструкции - создается расчетная схема).
- Анализ расчетной схемы.
- Обратный переход от расчетной схемы к реальной конструкции и формулирование выводов.
Сопротивление материалов базируется на законах теоретической механики (статика), методах математического анализа, материаловедении.
Классификация нагрузок
Различают внешние и внутренние силы и моменты. Внешние силы (нагрузки) - это активные силы и реакции связи.
По характеру действия нагрузки делятся на:
- статические - прикладывается медленно, возрастая от нуля до конечного значения, и не изменяются;
- динамические
- изменяют величину или направление за короткий промежуток времени:
- внезапны е - действуют сразу на полную силу (колесо локомотива, заезжающего на мост),
- ударные - действуют на протяжении короткого времени (дизель-молот),
Классификация элементов конструкций
Стержень (брус) - тело, длина которого L превышает его поперечные размеры b и h. Ось стержня - линия, соединяющая центры тяжести последовательно расположенных сечений. Сечение - это плоскость перпендикулярная оси стрежня.
Пластина - тело плоской формы, у которого длина a и ширина b больше по сравнению с толщиной h.
Оболочка - тело, ограниченное двумя близко расположенными криволинейными поверхностями. Толщина оболочки мала по сравнению с другими габаритными размерами, радиусами кривизны ее поверхности.
Массивное тело (массив) - тело, у которого все размеры одного порядка.
Деформации стержня
При нагрузке тел внешними силами они могут изменять свою форму и размеры. Изменение формы и размеров тела под действием внешних сил называется деформацией .
Деформации бывают:
- упругие - исчезают после прекращения действия вызвавших их сил;
- пластичные - не исчезают после прекращения действия вызвавших их сил.
В зависимости от характера внешних нагрузок различают такие виды деформаций:
- растяжение-сжатие - состояние сопротивления, которое характеризуется удлинением или укорочением,
- сдви г - смещение двух сопредельных поверхностей относительно друг друга при неизменном расстоянии между ними,
- кручение - взаимный поворот поперечных сечений относительно друг друга,
- изгиб - состоит в искривлении оси.
Бывают более сложные деформации, которые образуются сочетанием нескольких основных.
Линейные деформаци и связаны с перемещением точек или сечений вдоль прямой линии (растяжение, сжатие).
Угловые деформации связаны с относительным поворотом одного сечения относительно другого (кручение).
Основные гипотезы и принципы
Гипотеза о сплошности материала : тело, сплошное и непрерывное до деформации, остается таким же и в процессе деформации.
Гипотеза об однородности и изотропности : в любой точке тела и в любом направлении физико-механические свойства материала считаются одинаковыми.
Гипотеза о малости деформаций : по сравнению с размерами тела деформации настолько малы, что не изменяют положения внешних сил, действующих на тело.
Гипотеза об идеальной упругости : в заданных малых пределах деформирования все тела идеально упругие, т.е. деформации полностью исчезают после прекращения нагрузок.
Гипотеза плоских сечений : сечение плоское до деформирования остается плоским и после деформации.
Закон Гука и гипотеза о малости деформаций дают возможность применять принцип суперпозиции (принцип независимости или сложения сил): деформации тела, вызванные действиями нескольких сил, равняются сумме деформаций, вызванных каждой силой.
Прицип Сен-Венан а : статически эквиваленте системы сил, действующие на малую, по сравнению с общими размерами тела, его часть, при достаточном отдалении от этой части вызывают одинаковые деформации тела.
Принцип затвердения : тело, испытывающее деформирование, затвердело и к нему можно применять уравнения статики.
Внутренние силы. Метод сечений
Внутренние силы - это силы механического взаимодействия между частичками материала, возникающие в процессе деформирования как реакции материала на внешнюю нагрузку.
Для нахождения и определения внутренних сил применяют метод сечений (РОЗУ), который сводится к следующим операциям:
- условно перерезаем тело на две части секущей плоскостью (Р -разрезаем);
- отбрасываем одну из частей (О - отбрасываем);
- заменяем влияние отброшенной части на оставленную внутренними силами (усилиями) (З - заменяем) ;
- из условий равновесия системы сил, действующих на оставшуюся часть, определяем внутренние силы (У - уравнения равновесия);
В результате сечения стержня поперечным сечением, разорванные связи между частями заменяются внутренними силами, которые можно свести к главному вектору R и главному моменту М внутренних сил. При проектировании их на координатные оси получаем:
N - продольная (осевая) сила,
Qy - поперечная (перерезывающая) сила
Qz - поперечная (перерезывающая) сила
Mx - крутящий момент
My - изгибающий момент
Mz - изгибающий момент
Если известны внешние силы, все шесть компонент внутренних сил могут быть найдены из уравнений равновесия
Напряжение
Нормальные напряжения, касательные напряжения. Полное напряжение.
Определение зависимости между внешними силами, с одной стороны, и напряжением и деформацией, с другой, - основная задача сопротивлению материалов .
Растяжение и сжатие
Растяжение или сжатие часто встречаются в элементах машин или сооружений (растяжение троса крана при подъеме груза; шатуна двигателя, штока цилиндров в подъёмно-транспортных машинах).
Растяжение или сжатие - это случай нагружения стрежня, который характеризуется его удлинением или укорочением. Растяжение или сжатие вызывается силами, действующими вдоль оси стрежня.
При растяжении стержень удлиняется, а его поперечные размеры уменьшаются. Изменение начальной длины стрежня называют абсолютным удлинением при растяжении или абсолютным укорочением при сжатии. Отношение абсолютного удлинения (укорочение) к начальной длине стрежня называется относительным удлинением .
В этом случае:
- ось стержня остается прямой линией,
- поперечные сечения стержня уменьшаются вдоль его оси параллельно самим себе (потому что поперечное сечение - это плоскость перпендикулярная оси стрежня, а ось - прямая линия);
- поперечные сечения остаются плоскими.
Все волокна стрежня удлиняются на одну и ту же величину и их относительные удлинения одинаковые.
Разность соответствующих поперечных размеров после деформации и до нее называется абсолютной поперечной деформацией .
Отношение абсолютной поперечной деформации к соответствующему начальному размеру называется относительной поперечной деформацией .
Между поперечной и продольной деформациями существует соотношение. Коэффициент Пуассона − безразмерная величина, находящаяся в пределах 0...0,5 (для стали 0,3).
В поперечных сечениях возникают нормальные напряжени я. Зависимость напряжений от деформаций устанавливает закон Гука.
В сечении стержня возникает один внутренний силовой фактор - продольная сила N . Продольная сила N является равнодействующей нормальных напряжений, которая численно равна алгебраической сумме всех внешних сил, действующих на одну из частей рассеченного стрежня и направленных вдоль его оси.
Формат: pdf
Язык: русский, украинский
Размер: 460 КВ
Представлен в полном объёме сопромат сайт.
Пример расчета прямозубой цилиндрической передачи
Пример расчета прямозубой цилиндрической передачи. Выполнен выбор материала, расчет допускаемых напряжений, расчет на контактную и изгибную прочность.
Пример решения задачи на изгиб балки
В примере построены эпюры поперечных сил и изгибающих моментов, найдено опасное сечение и подобран двутавр. В задаче проанализировано построение эпюр с помощью дифференциальных зависимостей, провелен сравнительный анализ различных поперечных сечений балки.
Пример решения задачи на кручение вала
Задача состоит в проверке прочности стального вала при заданном диаметре, материале и допускаемых напряжениях. В ходе решения строятся эпюры крутящих моментов, касательных напряжений и углов закручивания. Собственный вес вала не учитывается
Пример решения задачи на растяжение-сжатие стержня
Задача состоит в проверке прочности стального стержня при заданных допускаемых напряжениях. В ходе решения строятся эпюры продольных сил, нормальных напряжений и перемещений. Собственный вес стержня не учитывается
Применение теоремы о сохранении кинетической энергии
Пример решения задачи на применение теоремы о сохранение кинетической энергии механической системы
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
Как показывает практика, тема сбора нагрузок вызывает наибольшее количество вопросов у молодых инженеров, начинающих свою профессиональную деятельность. В данной статье хочу рассмотреть, что такое постоянные и временные нагрузки, чем длительные нагрузки отличаются от кратковременных и для чего такое разделение необходимо и т.п.
Классификация нагрузок по продолжительности действия.
В зависимости от продолжительности действия нагрузки и воздействия делятся на постоянные и временные . Временные нагрузки в свою очередь подразделяются на длительные, кратковременные и особые .
Как следует из самого названия, постоянные нагрузки действуют на всем протяжении эксплуатации. Временные нагрузки проявляются в отдельные периоды строительства или эксплуатации.
относятся: собственный вес несущих и ограждающих конструкций, вес и давление грунтов. В случае применения в проекте конструкций заводского изготовления (ригели, плиты, блоки и т.п.), нормативное значение их веса определяется на основании стандартов, рабочих чертежей или паспортных данных заводов — изготовителя. В прочих случаях вес конструкций и грунтов определяется по проектным данным на основании их геометрических размеров как произведение их плотности ρ на объем V с учетом их влажности в условиях возведения и эксплуатации сооружений.Ориентировочные плотности некоторых основных материалов приведены в табл. 1. Ориентировочные веса некоторых рулонных и отделочных материалов приведены в табл. 2.
Таблица 1
Плотность основных строительных материалов
Материал |
Плотность, ρ, кг/м3 |
Бетон:— тяжелый— ячеистый |
2400400-600 |
Гравий |
1800 |
Дерево |
500 |
Железобетон |
2500 |
Керамзитобетон |
1000-1400 |
Кирпичная кладка на тяжелом растворе:— из полнотелого керамического кирпича— из пустотелого керамического кирпича |
18001300-1400 |
Мрамор |
2600 |
Мусор строительный |
1200 |
Песок речной |
1500-1800 |
Раствор цементно — песчаный |
1800-2000 |
Минераловатные теплоизоляционные плиты:— неподвергающиеся нагрузке— для теплоизоляции железобетонных покрытий— в системах вентилируемого фасада— для теплоизоляции наружных стен с последующим оштукатуривание |
35-45160-19090145-180 |
Штукатурка |
1200 |
Таблица 2
Вес рулонных и отделочных материалов
Материал |
Вес, кг/м2 |
Битумная черепица |
8-10 |
Гипсокартонный лист толщиной 12,5 мм |
10 |
Керамическая черепица |
40-51 |
Ламинат толщиной 10 мм |
8 |
Металлочерепица |
5 |
Паркет дубовый:— толщиной 15 мм— толщиной 18 мм— толщиной 22 мм |
111315,5 |
Рулонная кровля (1 слой) |
4-5 |
Сэндвич — панель кровельная:— толщиной 50 мм— толщиной 100 мм— толщиной 150 мм— толщиной 200 мм— толщиной 250 мм |
1623293338 |
Фанера:— толщиной 10 мм— толщиной 15 мм— толщиной 20 мм |
710,514 |
Временные нагрузки подразделяются на длительные, кратковременные и особые.
относятся:— нагрузка от людей, мебели, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий с пониженными нормативными значениями;
— нагрузки от автотранспорта с пониженными нормативными значениями;
— вес временных перегородок, подливок и подбетонок под оборудование;
— снеговые нагрузки с пониженными нормативными значениями;
— вес стационарного оборудования (станки, моторы, емкости, трубопроводы, жидкости и твердые тела, заполняющие оборудование);
— давление газов, жидкостей и сыпучих тел в емкостях и трубопроводах, избыточное давление и разряжение воздуха, возникающее при вентиляции шахт;
— нагрузки на перекрытия от складируемых материалов и стелажного оборудования в складских помещениях, холодильниках, зернохранилищах, книгохранилищах, архивах подобных помещениях;
— температурные технологические воздействия от стационарного оборудования;
— вес слоя воды на водонаполненных плоских покрытиях;
— вертикальные нагрузки от мостовых и подвесных кранов с пониженным нормативным значением, определяемым умножением полного нормативного значения вертикальной нагрузки от одного крана в каждом пролете здания на коэффициент:
0,5 — для групп режимов работы кранов 4К-6К;
0,6 — для группы режима работы кранов 7К;
0,7 — для группы режима работы кранов 8К.
Группы режимов кранов принимаются по ГОСТ 25546.
относятся:— вес людей, ремонтных материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования с полными нормативными значениями;
— нагрузки от автотранспорта с полными нормативными значениями;
— снеговые нагрузки с полными нормативными значениями;
— ветровые и гололедные нагрузки;
— нагрузки от оборудования, возникающие в пускоостановочном, переходном и испытательном режимах, а также при его перестановке или замене;
— температурные климатические воздействия с полным нормативным значением;
— нагрузки от подвижного подъемно — транспортного оборудования (погрузчиков, электрокаров, кранов — штабелеров, тельферов, а также от мостовых и подвесных кранов с полным нормативным значением).
относятся:— 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.
