Структурная нагрузка или структурное воздействие — это сила , деформация или ускорение, приложенные к элементам конструкции . [1] [2] Нагрузка вызывает напряжение , деформацию и смещение в конструкции . Структурный анализ , инженерная дисциплина , анализирует воздействие нагрузок на конструкции и конструктивные элементы. Чрезмерная нагрузка может привести к разрушению конструкции , поэтому это следует учитывать и контролировать при проектировании конструкции. Конкретные механические конструкции, такие как самолеты , спутники , ракеты , космические станции , корабли и подводные лодки , подвергаются своим собственным структурным нагрузкам и воздействиям. [3] Инженеры часто оценивают нагрузки на конструкцию на основе опубликованных правил , контрактов или спецификаций . Принятые технические стандарты используются для приемочных испытаний и контроля .
Статические нагрузки — это статические силы, которые остаются относительно постоянными в течение длительного времени. Они могут находиться на растяжении или сжатии . Этот термин может относиться к методу лабораторных испытаний или к обычному использованию материала или конструкции.
Временные нагрузки обычно представляют собой переменные или подвижные нагрузки . Они могут иметь значительный динамический элемент и могут включать в себя такие факторы, как удар , импульс , вибрация , динамика выплескивания жидкостей и т. д.
Ударная нагрузка — это нагрузка, время воздействия которой на материал составляет менее одной трети естественного периода вибрации этого материала.
Циклические нагрузки на конструкцию могут привести к усталостному повреждению, кумулятивному повреждению или отказу. Эти нагрузки могут представлять собой повторяющиеся нагрузки на конструкцию или могут быть вызваны вибрацией .
Структурные нагрузки являются важным фактором при проектировании зданий. Строительные нормы и правила требуют, чтобы конструкции проектировались и строились так, чтобы безопасно противостоять всем воздействиям, с которыми они могут столкнуться в течение срока службы, оставаясь при этом пригодными для использования. [4] Минимальные нагрузки или действия указаны в настоящих строительных нормах и правилах для типов конструкций, географического местоположения, использования и строительных материалов . [5] Структурные нагрузки подразделяются на категории в зависимости от причины их возникновения. С точки зрения фактической нагрузки на конструкцию нет разницы между постоянной и динамической нагрузкой, но разделение происходит для использования в расчетах безопасности или для упрощения анализа сложных моделей.
Чтобы удовлетворить требованию, чтобы расчетная прочность превышала максимальные нагрузки, строительные нормы и правила предписывают, чтобы при проектировании конструкций нагрузки увеличивались на коэффициенты нагрузки. Эти коэффициенты нагрузки , грубо говоря, представляют собой отношение теоретической расчетной прочности к максимальной нагрузке, ожидаемой в эксплуатации. Они разрабатываются для достижения желаемого уровня надежности конструкции [6] на основе вероятностных исследований, учитывающих причину возникновения нагрузки, повторяемость, распределение, статический или динамический характер нагрузки. [7]
Собственная нагрузка включает в себя относительно постоянные во времени нагрузки, включая вес самой конструкции и неподвижных конструкций, таких как стены, гипсокартон или ковер . Крыша – это тоже мертвый груз. Статические нагрузки также известны как постоянные или статические нагрузки. Строительные материалы не являются постоянной нагрузкой, пока они не будут установлены на постоянное место. [8] [9] [10] IS875(часть 1)-1987 дают удельный вес строительных материалов, деталей, комплектующих.
Постоянные нагрузки, или приложенные нагрузки, являются временными, кратковременными или подвижными нагрузками . Эти динамические нагрузки могут включать в себя такие факторы, как удар , импульс , вибрация , динамика выплескивания жидкостей и усталость материала .
Временные нагрузки, иногда также называемые вероятностными нагрузками, включают в себя все силы, которые являются переменными в пределах нормального цикла эксплуатации объекта, за исключением строительных нагрузок или нагрузок окружающей среды.
Подвижные нагрузки на крышу и пол возникают во время технического обслуживания рабочими, оборудованием и материалами, а также в течение срока службы конструкции подвижными объектами, такими как растения и люди.
Подвижные нагрузки на мост создаются транспортными средствами, движущимися по настилу моста.
Экологические нагрузки – это структурные нагрузки, вызванные природными силами, такими как ветер, дождь, снег, землетрясение или экстремальные температуры.
Инженеры также должны знать о других действиях, которые могут повлиять на конструкцию, таких как:
Комбинация нагрузок возникает, когда на конструкцию действует более одного типа нагрузки. Строительные нормы и правила обычно определяют различные комбинации нагрузок вместе с коэффициентами нагрузки (весами) для каждого типа нагрузки, чтобы обеспечить безопасность конструкции при различных сценариях максимальной ожидаемой нагрузки. Например, при проектировании лестницы коэффициент собственной нагрузки может быть в 1,2 раза больше веса конструкции, а коэффициент динамической нагрузки может быть в 1,6 раза больше максимальной ожидаемой динамической нагрузки. Эти две «учтенные нагрузки» объединяются (суммируются) для определения «требуемой прочности» лестницы.
Размер коэффициента нагрузки основан на вероятности превышения любой заданной расчетной нагрузки. Собственные нагрузки имеют небольшие коэффициенты нагрузки, например 1,2, поскольку вес в основном известен и учитывается, например, элементы конструкции, архитектурные элементы и отделка, крупные части механического, электрического и сантехнического оборудования (MEP), а для зданий обычно включают сверхвынужденную мертвую нагрузку (SIDL) около 5 фунтов на квадратный фут (PSF) с учетом различного веса, такого как болты и другие крепежные детали, кабели и различные приспособления или небольшие архитектурные элементы. С другой стороны, временные нагрузки могут представлять собой мебель, передвижное оборудование или сами люди и в некоторых ситуациях могут превышать нормальные или ожидаемые значения, поэтому больший коэффициент 1,6 пытается количественно оценить эту дополнительную изменчивость. Для снега также будет использоваться максимальный коэффициент 1,6, тогда как боковые нагрузки (землетрясения и ветер) определяются так, что практичным является коэффициент нагрузки 1,0. Несколько нагрузок можно суммировать разными способами, например 1,2*Потери + 1,0*Постоянная нагрузка + 1,0*Землетрясение + 0,2*Снег или 1,2*Потери + 1,6(Снег, Потери (крыша), ИЛИ Дождь) + (1,0*Постоянные нагрузки). ИЛИ 0,5*Ветер).
Для самолетов нагрузка делится на две основные категории: предельные нагрузки и предельные нагрузки. [11] Предельные нагрузки — это максимальные нагрузки, которые компонент или конструкция могут безопасно выдерживать. 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 иметь решающее значение, являются нагрузки давления (для герметичных высотных самолетов) и нагрузки на землю. Нагрузки на землю могут возникнуть в результате резкого торможения или маневрирования во время руления . Самолеты постоянно подвергаются циклическим нагрузкам. Эти циклические нагрузки могут вызвать усталость металла . [13]