Конструкционная нагрузка или структурное воздействие — это механическая нагрузка (в более общем смысле сила ), приложенная к структурным элементам . [1] [2] Нагрузка вызывает напряжение , деформацию , смещение или ускорение в конструкции . Структурный анализ , дисциплина в инженерии , анализирует воздействие нагрузок на конструкции и структурные элементы. Избыточная нагрузка может вызвать разрушение конструкции , поэтому это следует учитывать и контролировать при проектировании конструкции. Конкретные механические конструкции, такие как самолеты , спутники , ракеты , космические станции , корабли и подводные лодки , подвержены своим собственным конкретным структурным нагрузкам и воздействиям. [3] Инженеры часто оценивают структурные нагрузки на основе опубликованных правил , контрактов или спецификаций . Принятые технические стандарты используются для приемочных испытаний и инспекций .
В гражданском строительстве заданные нагрузки являются наилучшей оценкой фактических нагрузок, которые, как ожидается, будет выдерживать конструкция. Эти нагрузки могут быть разных форм, например, люди, оборудование, транспортные средства, ветер, дождь, снег, землетрясения, сами строительные материалы и т. д. Заданные нагрузки также известны как характерные нагрузки во многих случаях.
Здания будут подвергаться нагрузкам из различных источников. Основные из них можно классифицировать как динамические нагрузки (нагрузки, которые не всегда присутствуют в конструкции), постоянные нагрузки (нагрузки, которые являются постоянными и неподвижными, за исключением перепроектирования или реконструкции) и ветровую нагрузку, как описано ниже. В некоторых случаях конструкции могут подвергаться другим нагрузкам, например, из-за землетрясений или давления от удерживаемого материала. Ожидаемая максимальная величина каждой из них называется характеристической нагрузкой.
Постоянные нагрузки — это статические силы , которые относительно постоянны в течение длительного времени. Они могут быть на растяжение или сжатие . Термин может относиться к лабораторному методу испытаний или к нормальному использованию материала или конструкции.
Живые нагрузки обычно являются переменными или подвижными . Они могут иметь значительный динамический элемент и могут включать такие соображения, как удар , импульс , вибрация , динамика плескания жидкостей и т. д.
Ударная нагрузка — это нагрузка, время приложения которой к материалу составляет менее одной трети естественного периода колебаний этого материала.
Циклические нагрузки на конструкцию могут привести к усталостному повреждению, кумулятивному повреждению или отказу. Эти нагрузки могут быть повторяющимися нагрузками на конструкцию или могут быть вызваны вибрацией .
Нагруженные нагрузки связаны с пребыванием и использованием здания; их величина менее четко определена и, как правило, связана с использованием здания.
Конструктивные нагрузки являются важным фактором при проектировании зданий. Строительные нормы требуют, чтобы конструкции проектировались и строились так, чтобы они могли безопасно выдерживать все воздействия, с которыми они могут столкнуться в течение срока службы, оставаясь при этом пригодными для использования. [4] Минимальные нагрузки или воздействия указаны в этих строительных нормах для типов конструкций, географических местоположений, использования и строительных материалов . [5] Конструктивные нагрузки делятся на категории по причине их возникновения. С точки зрения фактической нагрузки на конструкцию нет разницы между постоянной или активной нагрузкой, но разделение происходит для использования в расчетах безопасности или для простоты анализа сложных моделей.
Чтобы соответствовать требованию, что прочность конструкции должна быть выше максимальных нагрузок, строительные нормы предписывают, что для структурного проектирования нагрузки увеличиваются на коэффициенты нагрузки. Эти коэффициенты нагрузки , грубо говоря, представляют собой отношение теоретической прочности конструкции к максимальной нагрузке, ожидаемой в эксплуатации. Они разрабатываются для достижения желаемого уровня надежности конструкции [6] на основе вероятностных исследований, которые учитывают причину возникновения нагрузки, ее повторяемость, распределение и статическую или динамическую природу. [7]
Постоянная нагрузка включает в себя нагрузки, которые относительно постоянны с течением времени, включая вес самой конструкции и неподвижных приспособлений, таких как стены, гипсокартон или ковер . Крыша также является постоянной нагрузкой. Постоянные нагрузки также известны как постоянные или статические нагрузки . Строительные материалы не являются постоянными нагрузками, пока не будут построены в постоянном положении. [8] [9] [10] IS875(часть 1)-1987 дает удельный вес строительных материалов, деталей, компонентов.
Живые нагрузки, или приложенные нагрузки, являются временными, кратковременными или движущимися . Эти динамические нагрузки могут включать такие факторы, как удар , импульс , вибрация , динамика плескания жидкостей и усталость материала .
Временные нагрузки, иногда также называемые вероятностными нагрузками, включают в себя все силы, которые изменяются в течение нормального цикла эксплуатации объекта, за исключением строительных или экологических нагрузок.
Временные нагрузки на крышу и пол возникают во время технического обслуживания со стороны рабочих, оборудования и материалов, а также в течение срока службы конструкции со стороны подвижных объектов, таких как кашпо и люди.
Временные нагрузки на мосту возникают из-за проезжающих по мостовому полотну транспортных средств.
Нагрузки на окружающую среду — это нагрузки на конструкции, вызванные природными силами, такими как ветер, дождь, снег, землетрясения или экстремальные температуры.
Инженеры также должны знать о других действиях, которые могут повлиять на конструкцию, таких как:
Сочетание нагрузок возникает, когда на конструкцию воздействует более одного типа нагрузки. Строительные нормы обычно указывают различные сочетания нагрузок вместе с коэффициентами нагрузки (весовыми коэффициентами) для каждого типа нагрузки, чтобы обеспечить безопасность конструкции при различных сценариях максимальной ожидаемой нагрузки. Например, при проектировании лестницы коэффициент статической нагрузки может быть в 1,2 раза больше веса конструкции, а коэффициент рабочей нагрузки может быть в 1,6 раза больше максимальной ожидаемой рабочей нагрузки. Эти две «факторизованные нагрузки» объединяются (складываются) для определения «требуемой прочности» лестницы.
Размер коэффициента нагрузки основан на вероятности превышения любой указанной расчетной нагрузки. Постоянные нагрузки имеют небольшие коэффициенты нагрузки, например 1,2, поскольку вес в основном известен и учтен, например, конструктивные элементы, архитектурные элементы и отделка, крупные части механического, электрического и сантехнического (MEP) оборудования, а для зданий обычно включают сверхналоженную постоянную нагрузку (SIDL) около 5 фунтов на квадратный фут (psf), учитывающую разный вес, такой как болты и другие крепежные элементы, кабели и различные приспособления или небольшие архитектурные элементы. Временные нагрузки, с другой стороны, могут быть мебелью, подвижным оборудованием или самими людьми и могут превышать нормальные или ожидаемые значения в некоторых ситуациях, поэтому больший коэффициент 1,6 пытается количественно оценить эту дополнительную изменчивость. Снег также будет использовать максимальный коэффициент 1,6, в то время как боковые нагрузки (землетрясения и ветер) определяются таким образом, что коэффициент нагрузки 1,0 является практичным. Несколько нагрузок можно суммировать разными способами, например, 1,2*Ненагруженные + 1,0*Живые + 1,0*Землетрясение + 0,2*Снег или 1,2*Ненагруженные + 1,6(Снег, Живые(крыша) ИЛИ Дождь) + (1,0*Живые ИЛИ 0,5*Ветер).
Для самолетов нагрузки делятся на две основные категории: предельные нагрузки и предельные нагрузки. [11] Предельные нагрузки — это максимальные нагрузки, которые компонент или конструкция могут выдерживать безопасно. Предельные нагрузки — это предельные нагрузки, умноженные на коэффициент 1,5, или точка, за которой компонент или конструкция выйдет из строя. [11] Порывистые нагрузки определяются статистически и предоставляются таким агентством, как Федеральное управление гражданской авиации . Аварийные нагрузки слабо ограничены способностью конструкций выдерживать замедление при сильном ударе о землю . [12] Другими нагрузками, которые могут быть критическими, являются нагрузки давления (для герметичных высотных самолетов) и наземные нагрузки. Нагрузки на земле могут быть от неблагоприятного торможения или маневрирования во время руления . Самолеты постоянно подвергаются циклическим нагрузкам. Эти циклические нагрузки могут вызвать усталость металла . [13]