Равномерно распределенные временные нагрузки на перекрытия зданий

Здания и помещения	Нормативное значение нагрузок р, кПа
	Полное	Пониженное
Квартиры жилых зданий, жилые помещения общежитий, гостиниц, пансионатов и т.п.	1,5	0,3
Служебные помещения, бытовые помещения промпредприятий, общественных зданий и сооружений	2	0,7
5алы: читальные обеденные зрительные торговые, выставочные	2 3 4 Не менее 4	0,7 1 1,4 1,4
Книгохранилища, архивы	Не менее 5	Не менее 5
Трибуны с сиденьями	4	1,4
11ерроны вокзалов	Не менее 2	Не менее 0,7
Помещения для скота: мелкого крупного	Не менее 2 Не менее 5	Не менее 0,7 Не менее 1,8

К кратковременным нагрузкам относятся:

-нагрузки на перекрытия жилых и общественных зданий с полными нормативными значениями;

-снеговые нагрузки с полным расчетным значением;

-нагрузки от подвижного подъемно-транспортного оборудования (мостовых и подвесных кранов, тельферов и т.п.);

-нагрузки, возникающие при изготовлении, перевозке и возведении конструкций, при монтаже и перестановке оборудования, а также нагрузки от веса временно складируемых на строительстве изделий и материалов (за исключением нагрузок в местах, специально предназначенных для складирования и хранения материалов), кратковременные нагрузки от веса насыпного грунта и др.;

-нагрузки от оборудования, возникающие в пускоостановочном, переходном и испытательном режиме;

- ветровые нагрузки;

-температурные и климатические воздействия.

К особым нагрузкам и воздействиям относятся: сейсмические и взрывные воздействия; нагрузки и воздействия, вызываемые резким нарушением технологического процесса, неисправностью оборудования (обрыв канатов, удар о преграду, удар кранов и тупиковый упор); неравномерные деформации основания, сопровождающиеся коренным изменением структуры грунта (оттаивание вечномерзлых грунтов, замачивание просадочных грунтов); воздействия деформаций земной поверхности под влиянием разработок, в карстовых районах и др.

Нормативные нагрузки.

В расчетах нормативные нагрузки обозначаются индексом «n», который записывается снизу или сверху буквенного обозначения нагрузки. Сосредоточенные нормативные нагрузки (силы): М_п, F_n — нормативные сосредоточенные нагрузки (кН). Нагрузки, распределенные по площади или по длине (погонные нагрузки): g_n, р_п, q_n — нормативные распределенные нагрузки (кПа, Н/м).

Нормативные постоянные нагрузки

Нормативные нагрузки от веса конструкций должны определяться по данным стандартов и заводов-изготовителей или по проектным размерам и плотностям материалов с учетом их массовой влажности для предусмотренных условий возведения и эксплуатации зданий и сооружений. Для сбора нагрузок необходимо знать размеры конструкций или частей здания; они, как правило, известны или заданы предварительно, затем их уточняют и, если нужно, делают перерасчет. Плотность строительных материалов приводится в справочниках.

Нормативные временные нагрузки

Нормативные временные нагрузки, необходимые для расчета конструкций, установлены СНиП 2.01.07-85*.

Неблагоприятное частичное загружение перекрытий многоэтажных зданий принимается одновременно не более чем на половине перекрытий, но не менее чем на двух из них. Остальные перекрытия загружаются полностью или принимаются свободными от рассматриваемой нагрузки.

Чтобы предотвратить локальное разрушение (продавливание) элементов покрытий, перекрытий лестниц и балконов, их проверяют на нормативную сосредоточенную вертикальную нагрузку, принимаемую равной: для перекрытий и лестниц - 1,5 кН; для чердачных перекрытий, покрытий, балконов - 1 кН. При этом коэффициент перегрузки = 1,2.

Ветровые нагрузки (средняя составляющая) определяются по формуле

w_n = w₍₎kc,

где w₀ - нормативное значение ветрового давления, принимаемое в зависимости от района строительства по скоростному напору ветра (карта № 3 Приложения 5 и табл. 6 СНиП 2.01.07-85*); к - коэффициент, учитывающий изменение скоростного напора w₀ по высоте в зависимости от типа местности, принимается по п. 6.5 табл. 6 СНиП 2.01.07-85*; с - аэродинамический коэффициент (коэффициент обтекания), для вертикальных поверхностей принимают: с наветренной стороны с = +0,8; с заветренной стороны в общем случае с = -0,6.

Расчетные нагрузки.

Расчетные нагрузки определяются как произведение нормативной нагрузки на коэффициент надежности по нагрузкам y_f , который учитывает возможность отклонения нагрузок в неблагоприятную сторону от нормативных значений:

-расчетная сосредоточенная нагрузка (сила) N= N_n∙y_f;

-расчетная нагрузка, распределенная нагрузка по площади или по длине элемента (погонная нагрузка) q = q_n y_f.

Расчетные постоянные нагрузки

Для определения расчетных значений нагрузок устанавливаются соответствующие коэффициенты надежности по нагрузкам y_f . Для постоянных нагрузок от веса конструкций коэффициенты у, определяются по табл. 1 СНиП 2.01.07-85*. Например, для бетонных и деревянных конструкций коэффициент надежности по нагрузке равен 1,15 (т.е. учитывается возможность увеличения нормативного значения нагрузки на 10%); для стяжек, засыпок, теплоизоляционных и выравнивающих слоев коэффициент y_f принимается: если слой выполнен в заводских условиях, y_f = 1,2; если на строительной площадке - y_f = 1,35.

Расчетные временные нагрузки

Для временных нагрузок на перекрытия и лестницы коэффициент надежности по нагрузкам y_f принимается равным 1,3 или 1,2 и определяется по СНиП 2.01.07-85*: при нормативном значении нагрузок р_п меньше 2 кПа y_f = 1,3; при р_п > 2 кПа y_f = 1,2.

Снеговые нагрузки в основном зависят от высоты снегового покрова в данной местности и конфигурации кровли. Высоту снегового покрова, а значит, и величину снеговой нагрузки определяют в зависимости от географического района. Для каждого района статистическим путем определена нормативная снеговая нагрузка:

S=S₀∙μ,

где S₀ - нагрузка от снега на 1 м² горизонтальной поверхности земли ; μ - коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытии, принимаемый по СНиП. На крутых кровлях (при α > 60°) снег практически не задерживается, и тогда коэффициент μ = 0. При уклонах кровли α < 25° μ = 1, т.е. считается, что весь снег остается на крыше. При промежуточных значениях наклона кровли коэффициент μ принимается по интерполяции.

При определении снеговой нагрузки учитывают вероятность того, что снег может распределяться по кровле неравномерно (на одном скате больше, чем на другом, или около выступающих частей могут образовываться снеговые мешки). Учет данных обстоятельств ведется с помощью рассмотрения различных схем загружения снеговой нагрузки (при расчете принимается такое загружение, которое является худшим для рассчитываемой конструкции).

Для ветровых нагрузок коэффициент надежности по нагрузкам принимается y_f= 1,4.

Для других нагрузок в нормах существуют указания по назначению коэффициентов надежности по нагрузкам.

Сочетание нагрузок и воздействий.

Различают сочетания двух видов: основные и особые.

Рис.2. Виды сочетания нагрузок

Основные сочетания - усилия от постоянных и временных длительных нагрузок с коэффициентами сочетаний ψ - 1 и от одной кратковременной нагрузки, которая учитывается полностью (ψ = 1).

При учете сочетаний, включающих постоянные и не мене двух временных нагрузок, расчетные значения временных на грузок следует умножать на коэффициенты сочетаний, равные в основных сочетаниях для длительных нагрузок ψ₁ = 0,95, для кратковременных - ψ₂ = 0,9.

Особые сочетания составляются в соответствии с нормами проектирования в сейсмических районах и со специальными указаниями. Усилия от кратковременных нагрузок в них входят с коэффициентами сочетаний ψ₂ = 0,8, от длительных - ψ₁ = 0,95.

При составлении сочетаний можно вводить в них усилия от временных нагрузок, физически возможных только при одновременном их действии. Так, при расчете на крановые нагрузки можно учитывать силы торможения (+Т) только при одновременном учете вертикальной нагрузки от крана, так как при отсутствии крана в рассматриваемом пролете не может быть и силы торможения.

При составлении сочетаний усилий от нагрузок и воздействий за одну кратковременную нагрузку принимают: равномерно распределенную нагрузку от людей, мебели и ремонтных материалов на всех учитываемых перекрытиях; нагрузку от кранов (вертикальная или вертикальная вместе с горизонтальной); ветровую или гололедно-ветровую нагрузку (по СНиП 2.01.07-85); снеговую нагрузку; нагрузку от одного погрузчика, кара; монтажные воздействия или температурные климатические.

Расчет конструкций по предельным состояниям.

Предельными называются такие состояния, при которых здания, сооружения, основания или отдельные конструкции перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям, а также требованиям, заданным при их возведении.

Строительные конструкции рассчитывают по двум группам состояний.

В общем виде расчет по предельным состояниям заключается в том, чтобы величины усилий, напряжений, деформаций, перемещений, раскрытия трещин или других факторов и воздействий не превышали предельных значений, установленных нормами проектирования. Считается, что предельное состояние не наступит, если действительные воздействия не превышают значения, установленные нормами. Вся сложность расчета в том, чтобы определить величины напряжений, деформаций и т.д., возникающих в конструкциях под действием нагрузок.

Расчет строительных конструкций по предельным состояниям первой группы

Суть расчета конструкций по первому предельному состоянию: максимально возможное расчетное усилие N от внешних нагрузок или воздействий в сечении элемента не должно превышать его расчетную несущую способность:

N<Ф, (1)

где N - расчетное усилие в сечении при самой невыгодной комбинации расчетных нагрузок или воздействий; Ф - наименьшая несущая способность сечения элемента, подвергающегося сжатию, растяжению или изгибу.

Расчетные нагрузки (или усилия) представляют собой произведение нормативных нагрузок (или усилий) на соответствующие коэффициенты надежности по нагрузке y_f, которые учитывают возможность отклонения фактических нагрузок (или усилий) вследствие их изменчивости от нормативных значений. Как правило, y_f > 1. Суммарное расчетное усилие N можно выразить через нормативные усилия N и коэффициенты надежности по нагрузке y_f:

N=N_n,y_f1 + N_n2 y_f2 + ...,

где N_n — нормативная нагрузка, рассчитывается по проектным размерам конструкций или принимается в соответствии со СНиП 2.01.07-85*.

Строительные нормы учитывают также возможные последствия от аварий; этот учет ведется с помощью коэффициента надежности по ответственности, на который умножаются расчетные нагрузки, что ведет к понижению или повышению их значения:

N∙y_n

где у_п — коэффициент надежности по ответственности, учитывающий экономические, социальные, экологические последствия, которые могут возникать в результате аварий. Значение этого коэффициента зависит от уровня ответственности зданий и сооружений (ГОСТ 27751-88).

Для учета ответственности зданий и сооружений, характеризуемой экономическими, социальными и экологическими последствиями их отказов, устанавливаются три уровня: I - повышенный, II - нормальный, III - пониженный.

Повышенный уровень ответственности следует принимать для зданий и сооружений, отказы которых могут привести к тяжелым экономическим, социальным и экологическим последствиям (резервуары для нефти и нефтепродуктов вместимостью 10 000 м³ и более, магистральные трубопроводы, производственные здания с пролетами 100 м и более, сооружения связи высотой 100 м и более, а также уникальные здания и сооружения), при их проектировании у_п принимают более 0,95, но не более 1,2.

Нормальный уровень ответственности следует принимать для зданий и сооружений массового строительства (жилые, общественные, производственные сельскохозяйственные здания и сооружения), у_п = 0,95.

Пониженный уровень ответственности следует принимать для сооружений сезонного или вспомогательного назначения (парники, теплицы, летние павильоны, небольшие склады и подобные сооружения), y_n менее 0,95, но не менее 0,8.

Наименьшая возможная несущая способность сечения элемента, подвергающегося сжатию, растяжению или изгибу, Ф зависит от прочностных свойств материала конструкции, формы и размеров сечения и в наиболее общем виде может быть выражена (как функция, зависящая от материала и геометрических факторов сечения) в следующем виде:

Ф = {R;А},

где R - расчетное сопротивление материала, одна из основных прочностных характеристик материала; А - геометрический фактор (площадь поперечного сечения при растяжении и сжатии, момент сопротивления при изгибе и т.д.).

Расчетное сопротивление материала определяется делением нормативного сопротивления R_n на коэффициент надежности у_n и умножением на коэффициент условий работы материала у_с:

R = R_n∙ у_с/ у_n

За нормативное сопротивление стали принимается минимальное контролируемое значение ее предела текучести (физического или условного) при растяжении, установленное соответствующими стандартами; за нормативное сопротивление бетона принимаются показатели прочности бетона, заданные с надежностью 0,95.

Коэффициент условий работы материала у_с в формуле учитывает благоприятные или неблагоприятные факторы, возникающие при изготовлении материала и его работе под нагрузкой. Коэффициенты условий работы у_с могут быть больше или меньше единицы.

Значения нормативных и расчетных показателей устанавливаются на основании статистической обработки результатов испытаний большого количества образцов.

Значения усилия N и несущей способности Ф зависят от изменчивости указанных выше факторов и, как показывает статистическая обработка наблюдений, подчиняются нормальному закону распределения Гаусса—Лапласа. Выполнение условия (1) гарантирует требуемую несущую способность с уровнем надежности не менее 0,997.

Расчет строительных конструкций по предельным состояниям второй группы

Цель этого расчета - не допустить ни одного из предельных состояний второй группы, т.е. обеспечить нормальную эксплуатацию строительных конструкций или здания в целом.

Учитывая, что второе предельное состояние обусловливает возможность нормальной эксплуатации конструкций, а также меньшую опасность его возникновения, деформации определяются от действия нормативных нагрузок.

Считается, что предельные состояния второй группы не наступят, если будет соблюдено условие

f≤f_n

где f(в общем случае) — определенная расчетом деформация конструкции (перемещение, угол поворота сечения и т.д.). Для изгибаемых элементов - это прогиб конструкции или ее элемента, для стержневых систем - укорочение или удлинение стержней, для оснований - величина осадки. Они определяются по правилам строительной механики в зависимости от нагрузки, материала и расчетной схемы конструкции; f_n - предельная деформация конструкции (перемещение, угол поворота сечения и т.д.). Для балок предельный прогиб определяется по СНиП 2.01.07-85*. оснований зданий предельная величина осадки принимается по СНиП 2.02.01-83*.

К этой же группе предельных состояний железобетонных конструкций относят расчет по образованию трещин, согласно которому должно соблюдаться условие M_crc < М (где М_сгс - момент внутренних сил перед образованием трещин; М - момент от расчетных значений внешних сил), а также расчет по ширине раскрытия трещин и их возможному закрытию в предварительно напряженных элементах.

Вследствие того что наступление предельных состояний второй группы не связано с потерей несущей способности конструкций или здания в целом, нагрузки сопротивления материалов, а также сопротивления грунтов, которые используются в расчетах, принимаются равными нормативным значениям и называются сервисными: N_ser, R_ser. Соответственно, сервисная нагрузка N_ser и сервисное сопротивление R_sgr считаются расчетными для расчетов по предельным состояниям второй группы.

Сравнение расчетных и нормативных значений показывает что расчетные нагрузки обычно больше нормативных, а расчетные сопротивления меньше нормативных сопротивлений. Так учитывается в определенном смысле большая ответственность расчета по предельным состояниям первой группы по сравнению с расчетами, относящимися ко второй группе.

Преимущество методики расчета конструкций по предельным состояниям состоит в том, что введение системы коэффициентов (надежности по нагрузке, условий работы материалов) вместо единого коэффициента запаса дает возможность более точного и обоснованного раздельного учета изменчивости нагрузок, прочностных свойств материалов и др.