Просмотр: эта статья прочитана 16953 раз

Pdf Выберите язык... Русский Украинский Английский

Краткий обзор

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:

1. Идеализация объекта (выделяются наиболее существенные особенности реальной конструкции - создается расчетная схема).
2. Анализ расчетной схемы.
3. 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 ираспределенные 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; идинамические нагрузки вызывающие большие силы инерции.

28.Динамическое, циклическое нагружение, понятие предела выносливости.

Динамическая нагрузка – нагрузка, которая со- провождается ускорением частиц рассматри- ваемого тела или соприкасающихся с ним де- талей. Динамическое нагружение возникает при приложении быстро возрастающих усилий или в случае ускоренно- го движения исследуемого тела. Во всех этих случаях необходимо учитывать силы инерции и возникающее движение масс системы. Кроме того, динамические нагрузки можно подразделить на ударные и повторно-перемен- ные.

Ударная нагрузка (удар) – нагружение, при ко- тором ускорения частиц тела резко изменяют свою величину за очень малый промежуток времени (внезапное приложение нагрузки). Заметим, что, хотя удар и относится к динамическим видам нагружения, в ряде случаев при расчете на удар силами инерции пренебрегают.

Повторно-переменное (циклическое) нагруже- ние – нагрузки, меняющиеся во времени по ве- личине (а возможно и по знаку).

Циклическое нагружение-изменение механических и физических свойств материала под длительным действием циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций.

Преде́л выно́сливости (также преде́л уста́лости) - в науках о прочности: одна из прочностных характеристик материала, характеризующих его выносливость , то есть способность воспринимать нагрузки, вызывающие циклические напряжения в материале.

29.Понятие усталости материалов, факторы, влияющие на устойчивость к усталостному разрушению.

Усталость материала - в материаловедении - процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных (часто циклических) напряжений, приводящий к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению материала за указанное время.

Влияние концентрации напряжений

В местах резкого изменения поперечных размеров детали, отверстий, проточек, пазов, резьбы и т.д., как показано в п. 2.7.1, возникает местное повышение напряжений, значительно снижающее предел выносливости по сравнению с таковым для гладких цилиндрических образцов. Это снижение учитывается введением в расчеты эффективного коэффициента концентрации напряжений , представляющего отношение предела выносливости гладкого образца при симметричном цикле к пределу выносливостиобразца тех же размеров, но имеющего тот или иной концентратор напряжения:

.

2.8.3.2. Влияние размеров детали

Экспериментально установлено, что с увеличением размеров испытуемого образца предел его выносливости понижается (масштабный эффект) . Это объясняется тем, что с увеличением размеров возрастает вероятность неоднородности структуры материалов и его внутренних дефектов (раковины, газовые включения), а также тем, что при изготовлении образцов малого размера имеет место упрочнение (наклеп) поверхностного слоя на относительно большую глубину, чем у образцов больших размеров.

Влияние размеров деталей на значение предела выносливости учитывается коэффициентом (масштабный фактор) , представляющим собой отношение предела выносливости детали заданных размеров к пределу выносливостилабораторного образца подобной конфигурации, имеющего малые размеры:

.

2.8.3.3. Влияние состояния поверхности

Следы режущего инструмента, острые риски, царапины являются очагом возникновения усталостных микротрещин, что приводит к снижению предела выносливости материала.

Влияние состояния поверхности на предел выносливости при симметричном цикле характеризуется коэффициентом качества поверхности , который представляет собой отношение предела выносливости детали с данной обработкой поверхности к пределу выносливоститщательно полированного образца:

.

2.8.3.4. Влияние поверхностного упрочнения

Различные способы поверхностного упрочнения (механическое упрочнение, химикотермическая и термическая обработка) могут существенно повысить значение коэффициента качества поверхности (до 1,5 … 2,0 и более раз вместо 0,6 … 0,8 раз для деталей без упрочнения). Это учитывается при расчетах введением коэффициента .

2.8.3.5. Влияние асимметрии цикла

Причиной усталостного разрушения детали являются длительно действующие переменные напряжения. Но, как показали эксперименты, с увеличением прочностных свойств материала увеличивается их чувствительность к асимметрии цикла, т.е. постоянная составляющая цикла «вносит свой вклад» в снижение усталостной прочности. Этот фактор учитывается коэффициентом.

Классификация Внешних Сил (Нагрузок) Сопромат

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 силы инерции.

Допущения сопромата

Допущения Сопромата Сопромат

При построении теории расчета на прочность, жесткость и устойчивостьпринимаются допущения, связанные со свойствами материалов и с деформацией тела.

Допущения, связанные со свойствами материалов

Сначала рассмотрим допущения, связанные со свойствами материалов :

допущение 1 : материал считается однородным (его физико-механические свойства считаются одинаковыми во всех точках;

допущение 2 : материал полностью заполняет весь объем тела, без каких-либо пустот (тело рассматривается как сплошная среда). Это допущение дает возможность применять при исследовании напряженно-деформированного состояния тела методы дифференциального и интегрального исчислений, которые требуют непрерывности функции в каждой точке объема тела;

допущение 3 : материал изотропный, то есть его физико-механические свойства в каждой точке одинаковы во всех направлениях. Анизотропные материалы – физико-механические свойства которых изменяются в зависимости от направления (например, дерево);

допущение 4 : материал является идеально упругим (после снятия нагрузки все деформации полностью исчезают).

Допущения, связанные с деформацией

Теперь рассмотрим основные допущения, связанные с деформацией тела .

допущение 1 : деформации считаются малыми. Из этого допущения следует, что при составлении уравнений равновесия, а также при определении внутренних сил можно не учитывать деформацию тела. Это допущение иногда называют принципом начальных размеров. Например, рассмотрим стержень, заделанный одним концом в стену и нагруженный на свободном конце сосредоточенной силой (рис. 1.1).

Момент в заделке, определенный из соответствующего уравнения равновесия методом теоретической механики, равен: . Однако прямолинейное положение стержня не является его положением равновесия. Под действием силы (P) стержень изогнется, и точка приложения нагрузки сместится и по вертикали, и по горизонтали. Если записать уравнение равновесия стержня для деформированного (изогнутого) состояния, то истинный момент, возникающий в заделке, окажется равным: . Принимая допущение о малости деформаций, мы полагаем, что перемещением (w) можно пренебречь по сравнению с длиной стержня (l), то есть , тогда . Допущение возможно не для всех материалов.

допущение 2 : перемещения точек тела пропорциональны нагрузкам, вызывающим эти перемещения (тело является линейно деформируемым). Для линейно деформируемых конструкций справедлив принцип независимости действия сил (принцип суперпозиции ): результат действия группы сил не зависит от последовательности нагружения ими конструкции и равен сумме результатов действия каждой из этих сил в отдельности. В основе этого принципа лежит также предположение об обратимости процессов нагрузки и разгрузки.

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	2400 400-600
Гравий	1800
Дерево	500
Железобетон	2500
Керамзитобетон	1000-1400
Кирпичная кладка на тяжелом растворе: — из полнотелого керамического кирпича — из пустотелого керамического кирпича	1800 1300-1400
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	35-45 160-190 90 145-180
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	11 13 15,5
Рулонная кровля (1 слой)	4-5
Сэндвич — панель кровельная: — толщиной 50 мм — толщиной 100 мм — толщиной 150 мм — толщиной 200 мм — толщиной 250 мм	16 23 29 33 38
Фанера: — толщиной 10 мм — толщиной 15 мм — толщиной 20 мм	7 10,5 14

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.

Решили вы, например, сделать себе дом. Самостоятельно, без привлечения архитекторов-конструкторов. И в какой-то момент времени, обычно почти сразу, возникает необходимость рассчитать вес этого дома. И тут начинается череда вопросов: какова величина снеговой нагрузки, какую нагрузку должно выдерживать перекрытие, какой коэффициент использовать при расчёте деревянных элементов. Но прежде, чем дать конкретные цифры, нужно понять, какова зависимость между длительностью воздействия нагрузки и её величиной.
Нагрузки в общем виде делятся на постоянные и временные. А временные в свою очередь на длительные, кратковременные и мгновенные. Наверняка у неподготовленного читателя возникнет вопрос: а какая, собственно, разница, как классифицировать нагрузку? Возьмём, к примеру, нагрузку на междуэтажное перекрытие. В СНиПе прописано нормативное значение 150 кгс на квадратный метр. При внимательном прочтении документа легко заметить, что 150 кгс/м² (полное нормативное значение) применяется при классификации нагрузки как "Кратковременная", но если мы классифицируем её как "длительная", то нагрузка на перекрытие принимается уже всего-то 30 кгс/м²! Почему так происходит? Ответ кроется в глубинах теории вероятности, но для простоты поясню на примере. Представьте вес всего, что есть у вас в комнате. Возможно, вы коллекционер чугунных люков от колодцев, но статистически, если рассматривать тысячи комнат разных людей, то в среднем люди ограничиваются полутонной всевозможных предметов на комнату в 17 м². Полтонны - это не мало для комнаты! Но поделив нагрузку на площадь получим всего-то 30 кг/м². Цифра статистически подтверждена и закреплена в СНиП. А теперь представьте себе, что вы (весом 80 кг) входите в комнату, садитесь на кресло (весом 20 кг) и к вам на колени устраивается жена (весом 50 кг). Получается, на достаточно малую площадь действует нагрузка в 150 кг. Вы, конечно можете в таком тандеме всегда перемещаться по квартире, или просто самостоятельно весить все 150 кг, но вы не можете сидеть на месте неподвижно 10 лет. А значит, что нагрузку в эти 150 кг вы создаёте каждый раз в разном месте, в то время как в другом месте этой нагрузки нет. Т.е. в длительной перспективе вы не выйдите за среднестатистические 500 кг на 17 м², или 30 кг/м², но в кратковременный промежуток вы можете создать нагрузку в 150кг/м². А если вы занимаетесь прыжками на батуте при весе в 150 кг - то это уже будет "Мгновенная" нагрузка, и её расчёт проводится на основании индивидуальных особенностей, ибо статистики для таких случаев просто нету.

Итак, с разницей между терминами немного разобрались, теперь к вопросу: а какая разница для нас, как проектировщиков? Если на доску давить небольшой массой на протяжении десятилетий - она таки прогнётся, а если надавить посильнее, а потом отпустить - доска вернёт своё исходное состояние. Вот именно этот эффект и учитывают присвоением классов нагрузки при расчёте прочности древесины.

Вся информация для статьи приведена из СНиП 2.01.07-85 "Нагрузки и воздействия" . Поскольку я сторонник деревянного домостроения, я также буду ссылаться на частный случай классификации нагрузок по действующему на 2017 год , а так же упомяну Еврокод EN 1991.

Классификация нагрузок по СНиП 2.01.07-85

В зависимости от продолжительности действия нагрузок следует различать постоянные и временные нагрузки.

​

Постоянные нагрузки

вес частей сооружений, в том числе вес несущих и ограждающих строительных конструкций;

вес и давление грунтов (насыпей, засыпок), горное давление;

гидростатическое давление;

сохраняющиеся в конструкции или основании усилия от предварительного напряжения так же следует учитывать в расчетах как усилия от постоянных нагрузок.

Временные нагрузки

Временные нагрузки разделяются ещё на три класса:

1. Длительные нагрузки

вес временных перегородок, подливок и подбетонок под оборудование;

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;

давление газов, жидкостей и сыпучих тел в емкостях и трубопроводах, избыточное давление и разрежение воздуха, возникающее при вентиляции шахт;

нагрузки на перекрытия от складируемых материалов и стеллажного оборудования в складских помещениях, холодильниках, зернохранилищах, книгохранилищах, архивах и подобных помещениях;

температурные технологические воздействия от стационарного оборудования;

вес слоя воды на водонаполненных плоских покрытиях;

вес отложений производственной пыли, если ее накопление не исключено соответствующими мероприятиями;

нагрузки от людей с пониженными нормативными значениями ;

снеговые нагрузки с пониженным нормативным значением, определяемым умножением полного нормативного значения на коэффициент:

• 0,3 - для III снегового района,

  0,5 - для IV района;

  0,6 - для V и VI районов;

температурные климатические воздействия с пониженными нормативными значениями;

воздействия, обусловленные деформациями основания, не сопровождающимися коренным изменением структуры грунта, а также оттаиванием вечномерзлых грунтов;

воздействия, обусловленные изменением влажности, усадкой и ползучестью материалов.

2. Кратковременные нагрузки

нагрузки от оборудования, возникающие в пускоостановочном, переходном и испытательном режимах, а также при его перестановке или замене;

вес людей, ремонтных материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования;

нагрузки от людей , животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий с полными нормативными значениями ;

нагрузки от подвижного подъемно-транспортного оборудования (погрузчиков, электрокаров, кранов-штабелеров, тельферов, а также от мостовых и подвесных кранов с полным нормативным значением);

снеговые нагрузки с полным нормативным значением;

температурные климатические воздействия с полным нормативным значением;

ветровые нагрузки;

гололедные нагрузки.

3. Особые нагрузки

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.

Нормативные нагрузки, упоминаемые выше, приведены в таблице:

В актуализированной на 2011 год версии этого документа пониженные нормативные значения равномерно распределённых нагрузок определяются умножением их полных нормативных значений на коэффициент 0,35.
Такая классификация была принята довольно продолжительное время и уже успела укорениться в сознании "постсоветского инженера". Однако, постепенно, вслед за всей Европой, мы переходим к так называемым Еврокодам.

Классификация нагрузок по Еврокоду EN 1991

По еврокоду всё немного разнообразнее и сложнее. Все расчётные воздействия следует принимать согласно соответствующим разделам EN 1991:

EN 1991-1-1 Удельный вес, постоянные и временные нагрузки

EN 1991-1-3 Снеговые нагрузки

EN 1991-1-4 Ветровые воздействия

EN 1991-1-5 Температурные воздействия

EN 1991-1-6 Воздействия при производстве строительных работ

EN 1991-1-7 Особые воздействия

В соответствии с ТКП ЕN 1990 при рассмотрении воздействий применяют следующую классификацию:

постоянные воздействия G . Например, воздействия собственного веса, стационарного оборудования, внутренних перегородок, отделки и косвенные воздействия в результате усадки и/или осадки;

переменные воздействия Q . Например, прилагаемые полезные нагрузки, ветровые, снеговые и температурные нагрузки;

особые воздействия А . Например, нагрузки от взрывов и ударов.

Если с постоянным воздействием всё более-менее понятно (просто берём объём материала и умножаем его на среднюю плотность этого материала и так по каждому материалу в конструкции дома), то переменные воздействия требуют пояснения. Особые воздействия в контексте частного строительства я рассматривать не буду.
По Еврокоду величина воздействий характеризуется категориями использования строения по таблице 6.1:

Не смотря на всю приведённую информацию Еврокод подразумевает использование национальных приложений, разрабатываемых к каждому разделу Еврокода индивидуально в каждой стране, использующей этот Еврокод. Эти приложения учитывают различные климатические, геологические, исторические и прочие особенности каждой страны, позволяя, тем не менее, придерживаться единых правил и стандартов в расчёте конструкций. К Еврокоду EN1991-1-1 национальное приложение имеется и оно в части величин нагрузок целиком и полностью ссылается на СНиП 2.01.07-85, рассмотренный в первой части этой статьи.

Классификация нагрузок при проектировании деревянных конструкций по Еврокоду EN1995-1-1

На 2017 год в Беларуси действует документ на основе еврокода ТКП EN 1995-1-1-2009 "Проектирование деревянных конструкций" . Поскольку документ относится к Еврокодам, предыдущая классификация по EN 1991 полностью применима и к деревянным конструкциям, однако имеет дополнительное уточнение. Так, в расчётах на прочность и пригодность к эксплуатации следует обязательно учитывать длительность действия нагрузки и влияние влажности!

Классы длительности действия нагрузок характеризуются воздействием постоянной нагрузки, действующей в определённый период времени при эксплуатации сооружения. Для переменного воздействия определяется соответствующий класс на основе оценки взаимодействия между типовой вариацией нагрузки и временем.

Это общая классификация, рекомендованная Еврокодом но, структура Еврокодов, как я уже упоминал, подразумевает использование Национальных Приложений, разрабатываемых в каждой стране индивидуально, и, конечно, для Беларуси это приложение тоже имеется. В нём немного сокращена классификация длительности:

Данная классификация в достаточной степени коррелирует с классификацией по СНиП 2.01.07-85.

Зачем нам знать всё это?

• Влияние на прочность древесины

В контексте проектирования и расчёта деревянного дома и любого его элемента классификация нагрузок совместно с классом эксплуатации имеет важное значение и может более чем вдвое (!) изменять расчётную прочность древесины. Например, все расчётные значения прочности древесины, помимо прочих коэффициентов, умножаются на так называемый коэффициент модификации kmod:

Как видно из таблицы, в зависимости от класса длительности воздействия нагрузки и условий эксплуатации одна и та же доска I сорта способна выдержать нагрузку, к примеру на сжатие 16,8 МПа при кратковременном воздействии в отапливаемом помещении и лишь 9,1 МПа при постоянной нагрузке в пятом классе условий эксплуатации.

• Влияние на прочность композитной арматуры

При проектировании фундаментов и железобетонных балок иногда используют композитную арматуру. И если на стальную арматуру длительность действия нагрузок не оказывает существенного влияния, то с композитной всё очень по другому. Коэффициенты влияния длительности нагрузки для АКП приведены в Приложении Л к СП63,13330:

В формуле расчёта сопротивления растяжению, приведённой в табличке выше есть коэффициент yf - это коэффициент надёжности по материалу, принимаемый при расчёте по предельным состояниям второй группы равным 1, а при расчётен по первой группе - равным 1,5. Например, в балке на открытом воздухе прочность стеклопластиковой арматуры может быть 800*0,7*1/1=560 МПа, но при длительной нагрузке 800*0,7*0,3/1=168 МПа.

• Влияние на величину распределённой нагрузки

Согласно СНиП 2.01.07-85, нагрузки от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий принимаются с пониженным нормативным значением, если мы относим эти нагрузки к длительным. Если мы их классифицируем как кратковременные - то принимаем полные нормативные значения нагрузок. Такие различия формируются теорией вероятностей и математически просчитаны, но в Своде правил представлены в виде уже готовых ответов и рекомендаций. Такое же влияние классификации есть и на снеговые нагрузки, но снеговые нагрузки я рассмотрю уже в другой статье.

Что нужно считать?

Мы уже разобрались немного с классификацией нагрузок и поняли, что нагрузки на перекрытия и снеговые нагрузки относятся ко временным нагрузкам, но при этом могут относится как к длительным, так и к кратковременным. Причём их величина может значительно отличаться в зависимости от того, к какому классу мы их причислим. Неужели в таком важном вопросе решение зависит от нашего желания? Конечно нет!
В ТКП EN 1995-1-1-2009 "Проектирование деревянных конструкций" есть следующее предписание: если сочетание нагрузки состоит из воздействий, которые принадлежат к разным классам длительности действия нагрузки, то нужно применять значение коэффициентов модификации, которое соответствует воздействию меньшей длительности, например для комбинации собственного веса и кратковременной нагрузки применяется значение коэффициента, соответствующего кратковременной нагрузке.
В СП 22.13330.2011 "Основания зданий и сооружений" указание таково: нагрузки на перекрытия и снеговые нагрузки, которые согласно СП 20.13330 могут относиться как к длительным, так и к кратковременным, при расчете оснований по несущей способности считают кратковременными, а при расчете по деформациям - длительными. Нагрузки от подвижного подъемно-транспортного оборудования в обоих случаях считают кратковременными.