2. СБОР НАГРУЗОК НА КОНСТРУКЦИИ И ЭЛЕМЕНТЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
При расчете конструкций необходимо учесть множество факторов. По своей природе и происхождению нагрузки и воздействия на конструкции могут подразделяться на:
- нагрузки от веса несущих и ограждающих конструкций, значения которых устанавливаются по геометрическим параметрам и значениям плотности используемых материалов;
- атмосферные нагрузки (снеговая, ветровая, гололедная, температурная, ледовая, волновая и др.), значения которых связаны с некоторым периодом повторяемости;
- технологические нагрузки на конструкции (от воздействия оборудования, веса материалов, людей, обстановки и др.), для которых значения принимаются по паспортным данным оборудования, а также с учётом прогнозируемых величин, предусматриваемых условиями эксплуатации;
- воздействия смещений земной поверхности (сейсмическими движениями, деформацией просадочных грунтов при замачивании, влиянием горных выработок, карстовыми процессами и т.п.), для которых значения регламентируются специальными нормативными документами;
- нагрузки, вызываемые чрезвычайными обстоятельствами (взрывные, от столкновения с движущимся транспортом, от пожара и т.п.).
2.1. НОРМАТИВНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ НАГРУЗКИ
Существующие строительные нормы предписывают вести расчет строительных конструкций на силовые воздействия по методу предельных состояний. Предельными называются такие состояния для здания, сооружения, а также основания или отдельных конструкций, при которых они перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям, а также требованиям, заданным при их возведении.
Предельные состояния конструкций (зданий) подразделяются на две группы:
-
по потере несущей способности или непригодности к эксплуатации. Говоря
проще, состояния, относящиеся к этой группе, считаются предельными, если в конструкции наступило опасное напряженно-деформированное состояние; в худшем случае — если она по этим причинам разрушилась;
-
по непригодности к нормальной эксплуатации. Нормальной называется такая эксплуатация здания или его конструкции, которая осуществляется в соответствии с предусмотренными в нормах или заданиях на проектирование технологическими или бытовыми условиями. Другими словами, возможны случаи, когда конструкция не потеряла несущей способности, т.е. удовлетворяет требованиям первой группы предельных состояний, но ее деформации (например, прогибы или трещины) таковы, что нарушают технологический процесс или нормальные условия нахождения людей в помещении.
К предельным состояниям первой группы относятся: • общая потеря устойчивости формы; • потеря устойчивости положения; • хрупкое, вязкое или иного характера разрушение; • разрушение под совместным воздействием силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды и др.
К предельным состояниям второй группы относятся состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкций (зданий) или снижающие их долговечность вследствие появлений недопустимых перемещений (прогибов, осадок, углов поворота), колебаний и трещин.
В зависимости от продолжительности действия нагрузки делят на постоянные и временные. Временные нагрузки, в свою очередь, подразделяют на длительные, кратковременные, особые.
Постоянными являются нагрузки от веса несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений, массы и давления грунтов, воздействия предварительного напряжения железобетонных конструкций.
Длительными являются нагрузки от веса стационарного оборудования на перекрытиях - станков, аппаратов, двигателей, емкостей и т. п.; давление газов, жидкостей, сыпучих тел в емкостях; нагрузки в складских помещениях, холодильниках, архивах библиотеках и подобных зданиях и сооружениях; установленная нормами часть временной нагрузки в жилых домах, служебных и бытовых помещениях; длительные температурные технологические воздействия от стационарного оборудования; нагрузки от одного подвесного или одного мостового крана, умноженные на коэффициенты: 0,5 для кранов среднего режима работы и на 0,7 для кранов тяжелого режима работы; снеговые нагрузки для III—IV климатических районов с коэффициентами 0,3— 0,6. Указанные значения крановых, некоторых временных и снеговых нагрузок составляют часть полного их значения и вводятся в расчет при учете длительности действия нагрузок этих видов на перемещения, деформации, образование трещин. Полные значения этих нагрузок относятся к кратковременным.
Кратковременными являются нагрузки от веса людей, деталей, материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования — проходах и других свободных от оборудования участках; часть нагрузки на перекрытиях жилых и общественных зданий; нагрузки, возникающие при изготовлении, перевозке и монтаже элементов конструкций; нагрузки от подвесных и мостовых кранов, используемых при возведении или эксплуатации зданий и сооружений; снеговые и ветровые нагрузки; температурные климатические воздействия.
К особым нагрузкам относятся: сейсмические и взрывные воздействия; нагрузки, вызываемые неисправностью или поломкой оборудования и резким нарушением технологического процесса (например, при резком повышении или понижении температуры и т. п.); воздействия неравномерных деформаций основания, сопровождающиеся коренным изменением структуры грунта (например, деформации просадочных грунтов при замачивании или вечномерзлых грунтов при оттаивании), и др. Нормативные нагрузки устанавливаются нормами по заранее заданной вероятности превышения средних значений или по номинальным значениям. Нормативные постоянные нагрузки принимаются по проектным значениям геометрических и конструктивных параметров и по средним значениям плотности. Нормативные временные технологические и монтажные нагрузки устанавливаются по» наибольшим значениям, предусмотренным для нормальной эксплуатации; снеговые и ветровые — по средним из ежегодных неблагоприятных значений или по неблагоприятным значениям, соответствующим определенному среднему периоду их повторений.
Расчетные
нагрузки для расчета конструкций на
прочность и устойчивость определяют
умножением нормативной нагрузки на
коэффициент надежности по нагрузке у;
обычно больший единицы, например
.
Коэффициент надежности от веса бетонных
и железобетонных конструкций
;
от веса конструкций из бетонов на легких
заполнителях (со средней плотностью
1800 кг/м3 и менее) и различных стяжек,
засыпок, утеплителей, выполняемых в
заводских условиях,
,
на монтаже
;
от различных временных нагрузок в
зависимости от их значения
.
Коэффициент перегрузки от веса конструкций
при расчете на устойчивость положения
против всплытия, опрокидывания и
скольжения, а также в других случаях,
когда уменьшение массы ухудшает условия
работы конструкции, принят
.
При расчете конструкций на стадии
возведения расчетные кратковременные
нагрузки умножают на коэффициент 0,8.
Конструкции должны быть рассчитаны на различные сочетания нагрузок или соответствующие им усилия, если расчет ведется по неупругой схеме. В зависимости от состава учитываемых нагрузок различают: основные сочетания, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок или усилий от них; особые сочетания, состоящие из постоянных, длительных, возможных кратковременных и одной из особых нагрузок или усилий от них.
Рассматриваются две группы основных сочетаний нагрузок. При расчете конструкций на основные сочетания первой группы учитываются нагрузки постоянные, длительные и одна кратковременная; при расчете конструкций на основные сочетания второй группы учитываются нагрузки постоянные, длительные и две (или более) кратковременные; при этом значения кратковременных нагрузок или соответствующих им усилий должны умножаться на коэффициент сочетаний, равный 0,9.
При расчете конструкций на особые сочетания значения кратковременных нагрузок или соответствующих им усилий должны умножаться на коэффициент сочетаний, равный 0,8, кроме случаев, оговоренных в нормах проектирования зданий и сооружений в сейсмических районах.
-
КОНСТРУКТИВНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ ЗДАНИЙ
В зависимости от вида несущего остова различают две основные конструктивные схемы зданий и сооружений — каркасную и бескаркасную (рис.1). Каркасные здания и сооружения делят на полнокаркасные (рис.2) неполнокаркасные (рис.3).
Рис.
1. Конструктивные схемы бескаркасных
зданий: а — с продольным
расположением несущих стен;
б — то же, с поперечным;
в — смешанная.
Рис.
2. Конструктивные схемы каркасных зданий:
а — с продольным расположением
ригелей; б — то же, с поперечным;
в — то же, с перекрестным; г — безригельное
решение.
Рис.3. Конструктивные схемы зданий с неполным каркасом: а — с продольным расположением ригелей; б — то же, с поперечным; в — безригельное решение.
В конструктивной схеме с продольным несущими стенами (рис.1, а) нагрузки от крыши и перекрытий на фундаменты и основания передают продольные стены. Они являются определяющими конструктивными элементами в обеспечении устойчивости здания, которая дополняется жесткостью и надежной связью с их перекрытиями, при заанкеривании перекрытий в стены, а также связью продольных стен с лестничными клетками, с внутренними связевыми стенами. Толщина и свободная длина стен определяются расчетом прочности, устойчивости и теплозащитных качеств. Число продольных стен может быть от двух до четырех и более в зависимости от назначения и планировки здания. Стены могут быть кирпичными, блочными, крупнопанельными, причем высота зданий с таким остовом не должна превышать девяти этажей.
При конструктивной схеме здания с поперечными несущими стенами (рис.1, б) пространственную жесткость и нагрузки от вышележащих частей на фундамент и основание передают поперечные внутренние стены, усиленные в случае необходимости увеличения жесткости и устойчивости перекрытиями, лестничными клетками, наружными продольными стенами. Главное преимущество такой схемы в том, что внутренние несущие стены, в отличие от наружных, не должны обладать теплозащитными качествами и поэтому могут быть возведены из высокопрочного материала, например железобетона, при малом его расходе. При этом продольные наружные стены как ненесущие могут быть выполнены только для обеспечения теплозащиты, т. е. из малопрочного теплоизоляционного материала, что также весьма целесообразно. При такой схеме лишь торцевые стены выполняют несущие и ограждающие функции. Схема с поперечными несущими стенами принимается при проектировании как малоэтажных, так и зданий повышенной этажности. Чем больше этажность, тем меньше должен быть шаг поперечных стен, придающих устойчивость всему зданию.
На практике часто осуществляется смешанная (рис.1, в) конструктивная схема, в которой несущими являются как продольные, так и поперечные стены.
Наиболее эффективной конструктивной схемой бескаркасных зданий является схема зданий с внутренними поперечными несущими стенами. Эта схема наиболее распространена в крупнопанельном домостроении.
Каркасная схема (рис.2) представляет собой систему, состоящую из фундаментов, колонн, горизонтальных элементов — ригелей, балок, перекрытий и связей жесткости. Пространственная жесткость здания с такой схемой определяется либо жесткой связью вертикальных и горизонтальных элементов, либо установкой специальных элементов связи, воспринимающих горизонтальные нагрузки, действующие на здание.
Главное преимущество каркасной схемы состоит в том, что каркас воспринимает все виды нагрузок, а стены выполняют лишь функции ограждения, что позволяет рационально использовать для них наиболее эффективные строительные материалы: для каркаса — металл или железобетон, для стен — материалы с высокими теплозащитными качествами, например легкий бетон, слоистые конструкции.
Каркасная схема широко применяется в производственных зданиях с большими пролетами и значительными крановыми нагрузками. Здания повышенной этажности жилого и служебного назначения также возводятся каркасными; их конструктивные элементы могут быть полностью унифицированы, что обеспечивает высокую индустриальность их возведения. В зданиях с каркасной схемой можно легко менять внутреннюю планировку путем перестановки перегородок, что намного продлевает моральную долговечность таких зданий.
Широко применяется также схема с неполным или внутренним каркасом (рис.3), который представляет собой систему, состоящую из фундаментов, продольных наружных стен, одного или нескольких продольных рядов внутренних колонн, связанных ригелями, перекрытиями и покрытием. Пространственная жесткость и устойчивость такой схемы обеспечивается жесткой связью колонн с фундаментами, поперечными стенами связи, лестничными клетками, перекрытиями и покрытием.
В зданиях с неполным или внутренним каркасом планировка в значительной мере может быть достигнута посредством легких перегородок, которые при необходимости могут быть переставлены соответственно новому назначению здания, т. е. здания с такой схемой модернизируются с меньшими затратами, чем зданиях несущими продольными и поперечными стенами.
Неполный каркас чаще проектируют для жилых и общественных гражданских зданий.