АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыСпецпроектыСтать автором
Сменить язык
О РУВИКИ

Структурная нагрузка

Структу́рная нагру́зка (структурное воздействие) — это сила, деформация или ускорение, приложенные к несущим элементам конструкции[1][2]. Структурная нагрузка вызывает напряжения, деформации и смещения в конструкции. Структурный анализ, раздел инженерного дела, изучает воздействие нагрузок на конструкции и их элементы. Избыточная нагрузка может привести к разрушению конструкции, поэтому подобные риски должны учитываться и контролироваться в процессе проектирования. Особые типы инженерных конструкций, такие как летательные аппараты, искусственные спутники, ракеты, космические станции, судна и подводные лодки, подвержены специфическим нагрузкам и структурным воздействиям[3]. Оценка структурных нагрузок инженерами часто базируется на регламентах, договорах или опубликованных технических спецификациях. Для проверочных испытаний и инспекций применяются признанные технические стандарты.

Виды нагрузок

Постоянные (мёртвые нагрузки) — это статические силы, остающиеся постоянными на протяжении всего срока эксплуатации объекта. Они могут появляться как в растяжении, так и в сжатии. Термин также используется для описания испытаний материалов в лаборатории либо при их обычной эксплуатации.

Временные или переменные (живые нагрузки) обычно изменяются или являются подвижными. Эти нагрузки часто включают динамические компоненты, такие как удар, импульс, вибрации, колебания жидкости и другие факторы.

Ударная нагрузка — нагрузка, время воздействия которой на материал меньше трети собственной вибрационной (резонансной) частоты этой конструкции.

Циклические нагрузки приводят к усталостным повреждениям, накоплению дефектов и разрушению. Такие нагрузки могут возникать из-за повторных воздействий либо вибраций.

Нагрузки в строительных конструкциях

Структурные нагрузки являются ключевым фактором при проектировании зданий. Строительные нормы и правила требуют проектировать и возводить сооружения с учётом всех возможных нагрузок, чтобы обеспечить надёжность и долговечность[4]. Минимальные значения нагрузок устанавливаются нормами в зависимости от назначения здания, места расположения и применяемых строительных материалов[5]. Различают основные группы нагрузок по источнику их возникновения. В реальных условиях особой разницы между постоянной и временной нагрузкой нет, но их выделяют для расчётов безопасности и облегчения анализа сложных моделей.

Для обеспечения запаса прочности нормативы предписывают увеличивать расчётные значения нагрузок посредством коэффициентов запаса. Эти коэффициенты отражают отношение проектной устойчивости конструкции к максимально ожидаемой нагрузке. Подобные факторы обоснованы вероятностными исследованиями с учётом источника, частоты, распределения и характера (статического или динамического) нагрузки[6][7].

Постоянная (мёртвая) нагрузка

Постоянная нагрузка (или мёртвая нагрузка) включает постоянные со временем воздействия: вес конструкции и неотделимых элементов (стены, гипсокартонные плиты, ковровое покрытие и пр.). Иногда именуется также постоянной или статической нагрузкой. Строительные материалы становятся частью постоянной нагрузки только при их постоянном и прочном закреплении[8][9][10].

Временная (живая) нагрузка

Временная нагрузка (или эксплуатационная нагрузка) — временное, кратковременное или подвижное воздействие. Эти динамические нагрузки включают такие аспекты, как удар, импульс, вибрации, движение жидкости и усталость материала.

Временные нагрузки (стохастические или вероятностные) охватывают все переменные усилия, возникающие в процессе нормальной эксплуатации объекта, за исключением нагрузок строительного характера или обусловленных внешней средой.

Воздействия окружающей среды

Нагрузки, вызванные природными факторами: ветром, дождём, снегом, землетрясениями, экстремальными температурами.

Прочие типы нагрузок

Инженеры учитывают и иные воздействия, способные повлиять на конструкцию:

Комбинированные нагрузки

Комбинированная нагрузка возникает при одновременном действии нескольких видов нагрузок. Строительные нормы и правила устанавливают типовые сочетания нагрузок и соответствующие коэффициенты (веса) для оценки безопасности сооружений при возможных экстремальных ситуациях. Например, при расчёте лестницы коэффициент для постоянной нагрузки может быть 1,2 к весу конструкции, а коэффициент к временной — 1,6 к ожидаемой максимальной полезной нагрузке. Эти «взвешенные» нагрузки суммируются для определения требуемой прочности лестницы.

Величина коэффициентов зависит от вероятности превышения той или иной нормативной нагрузки. Постоянные нагрузки имеют меньшие коэффициенты (например, 1,2) из-за точности их учёта (конструкции, отделка, тяжёлое инженерное оборудование). Обычно дополнительно закладывается сверхнормативное постоянное воздействие (англ. Super Imposed Dead Load, SIDL), например, 5 фунтов/кв. фут для скреплений, кабелей, декоративных элементов. Временные (живые) нагрузки отличаются большей вариабельностью — сюда включают мебель, переносное оборудование, людей, и поэтому их коэффициент больше (1,6). Для снега он также составляет 1,6; для боковых (сейсмических и ветровых) нагрузок применяется коэффициент 1,0.

Нагрузки в авиационных конструкциях

В авиации нагрузки делятся на две основные категории: предельные (лимитные) и аварийные (разрушающие)[11]. Предельная нагрузка — это максимальное воздействие, которое элемент или конструкция способны выдержать без повреждений. Аварийная нагрузка равна предельной, увеличенной в 1,5 раза, или же соответствует моменту разрушения[11]. Нагрузки от порывов воздуха определяются статистически и предоставляются, например, FAA. Нагрузки при столкновениях ограничены прочностью обшивки при вынужденной остановке на земле[12]. Важное значение имеют также нагрузки избыточного давления (для высоколетящих герметичных самолётов) и нагрузки при движении по земле, вызванные, например, торможением или манёврами во время руления. Авиационные конструкции постоянно подвергаются циклическим нагрузкам, что приводит к усталости металла[13].

Примечания

  1. ↑ ASCE/SEI 7-05 Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures : [англ.]. — American Society of Civil Engineers, 2006. — P. 1. — ISBN 0-7844-0809-2.
  2. ↑ 1.5.3.1 // Eurocode 0: Basis of structural design EN 1990 : [англ.]. — European Committee for Standardization, 2002.
  3. ↑ Mark's Standard Handbook for Mechanical Engineers : [англ.]. — 10th. — P. 11–42. — ISBN 0-07-004997-1.
  4. ↑ 2.2.1(1) // Eurocode 0: Basis of structural design EN 1990 : [англ.]. — European Committee for Standardization, 2002.
  5. ↑ 1604.2 // International Building Code : [англ.]. — International Code Council, 2000. — P. 295. — ISBN 1-892395-26-6.
  6. ↑ Rao, Singiresu S. Reliability Based Design : [англ.]. — McGraw-Hill, 1992. — P. 214–227. — ISBN 0-07-051192-6.
  7. ↑ 2.2.5(b) // Eurocode 0: Basis of structural design EN 1990 : [англ.]. — European Committee for Standardization, 2002.
  8. ↑ 2006 International Building Code Section 1602.1.
  9. ↑ EN 1990 Euro code — Basis of structural design section 4.1.1
  10. ↑ EN 1991-1-1 Euro code 1: Actions on Structures — Part 1-1: General actions — densities, self-weight, imposed loads for buildings section 3.2
  11. ↑ 1 2 Bruce K. Donaldson, Analysis of Aircraft Structures: An Introduction (Cambridge; New York: Cambridge University Press, 2008), с. 126
  12. ↑ Experimental Mechanics: Advances in Design, Testing and Analysis, том 1, под ред. I. M. Allison (Роттердам, A.A. Balkema Publishers, 1998), с. 379
  13. ↑ Bruce K. Donaldson, Analysis of Aircraft Structures: An Introduction (Cambridge; New York: Cambridge University Press, 2008), с. 129

Литература

Категории