Нагрузки на сооружения

Нагрузки, действующие на сооружения, можно разделить на два класса: статические и динамические.

К статическим относятся нагрузки, которые не сообщают массам сооружения ускорений, или сообщают такие незначительные ускорения, что возникающими три этом силами инерции можно пренебречь. Величина, направление и конфигурация статической нагрузки не меняются во времени. Возможно изменение ее координат (подвижная нагрузка), но оно происходит столь медленно, что сохраняется статический характер нагрузки. При действии статических нагрузок сооружения деформируются, в них возникают перемещения и соответствующие им усилия и напряжения, которые при работе материала сооружения в упругой стадии не меняются во времени. Задача определения таких усилий, напряжений и перемещений является основной задачей статики сооружений.

К динамическим нагрузкам относятся нагрузки, при действии которых массам сооружения сообщаются существенные ускорения и, следовательно, вызываются существенные силы инерции. Характерным для такой нагрузки является зависимость ее величины, направления, конфигурации и места приложения (сразу всех параметров или некоторых из них) от времени. Вызванные динамической нагрузкой деформации сооружения, перемещения, усилия и напряжения также являются функциями времени. Возникает движение масс сооружения, которое может продолжаться и после прекращения действия нагрузки.

Задача определения усилий, напряжений и перемещений в любых сечениях и точках сооружений как функций времени или определения их максимальных значений является основной задачей динамики сооружений.

Вследствие возможности изменения всех основных характеристик динамических нагрузок, их труднее классифицировать, чем нагрузки статические. Ниже приводятся примеры некоторых видов нагрузок, встречающихся при строительстве и эксплуатации сооружений, и дается их классификация.

Во время строительства часто приходится сооружать шпунтовые стенки и свайные основания. Обычно погружение шпунта и свай производится с помощью ударной нагрузки. Для такой нагрузки характерно кратковременное действие, а для движения ударяемого и ударяющего тела — мгновенное изменение скорости на конечную величину. При забивке шпунта и свай ударная нагрузка является периодической.

Величина удара или ударного импульса может быть определена по величине количества движения ударяющего или ударяемого тела Iр = m(v — vo), где m — масса тела; vo и v — скорость массы до и после удара. Величина силы Р удара определится делением величины импульса на время его действия i(Р = Iр/i) и, учитывая малый промежуток времени и конечную величину , импульса, достигает большой величины. При мгновенном импульсе (i = 0) сила удара достигает бесконечно большой величины.

Ударная нагрузка может быть также классифицирована как кратковременная. К кратковременным относится и наuрузка сооружения инерционными силами во время сейсмического толчка, для которого характерно мгновенное сообщение телам ускорения. В это время на массу m каждого элемента сооружения, имеющего единичный объем, будет действовать инерционная сейсмическая нагрузка S= — ma0),
где a0 - ускорение массы, равное ускорению основания сооружения при толчке.

Кратковременной, импульсивной нагрузкой является также воздействие на сооружения взрывной волны, передающееся на сооружение через какую-либо среду: воздух, воду, грунт. При этом характер воздействия и начальные условия движения сооружения могут быть различными. Например, для воздействия воздушной волной характерно явление удара, а для воздействия на наземное сооружение колебания основания от взрыва характерно явление толчка.

Иногда встречаются мгновенно возникшие и действующие в дальнейшем достаточно длительное время нагрузки весьма произвольного характера изменения во времени. Например, начальный удар воды, отброшенной с носка водосливной плотины, о поверхность земли переходит в пульсирующую нагрузку. К такого рода нагрузкам относится также сейсмическая нагрузка, один из элементов которой (нагрузка от сейсмического толчка) уже был рассмотрен. Для сейсмической нагрузки характерно беспорядочное ее изменение, связанное с беспорядочным движением почвы.

При равномерном вращении подвижных частей генераторов и турбин, вследствие неизбежных неточностей в распределении масс и других неточностей, возникает вибрационная нагрузка, имеющая гармонический характер изменения.

В некоторых машинах неуравновешенность масс и эксцентричность оси их вращения делается специально, а возникшее, ири этом явление вибрации используется в полезном направлении (машины для сортировки сыпучих материалов по крупности, вибраторы и т. д.). Для контроля уровня сыпучих материалов используются мембранные сигнализаторы, например, сум -1. На фундамент такой машины будет действовать вибрационная нагрузка. Названные нагрузки не охватывают всех видов динамических нагрузок на сооружения, но дают представление о том, что они сами и характер их воздействия на сооружение значительно сложнее статических.

Рассмотренные динамические нагрузки можно назвать возмущающими силами, вызывающими перемещения масс сооружения е каким-то ускорением. Возмущающие силы могут быть как сосредоточенными, так и распределенными (неподвижными и подвижными).