Нагрузки и воздействия

Внешние воздействия

Говоря о внешнем воздействии на конструкцию, прежде всего подразумевают его «физику природы». Причем, из множества внешних воздействий рассматривают те, которые найдут свое отражение в анализируемых факторах конструкции (например, напряженно-деформируемое состояние). То есть происходит «фильтрация» всех возможных воздействий с вычленением наиболее существенных в рамках изучаемого процесса.

Внешние воздействия могут носить природный (гравитация, ветровое и снеговое воздействия) и техногенный характер (воздействия, обусловленные функциональным назначением конструкции). Ряд воздействий могут быть вызваны как природными, так и техногенными факторами (температурные), ряд – проявляться опосредованно (коррозионные).

Внешние силы

Любое внешнее воздействие характеризуется множеством параметров (снеговое воздействие характеризуется плотностью снегового покрова, содержанием влаги, температурой и т.п.), однако, из них выбирают те, которые имеют существенное значение для анализируемых факторов конструкции («фильтрация» параметров внешнего воздействия); при этом, из связанных между собой параметров выбирают те, которые наиболее близки к изучаемому процессу (скорость ветра или давление, оказываемое на конструкцию). Так, при анализе напряженно-деформируемого состояния, нас прежде всего интересуют силовые параметры, в связи с чем происходит переход от определенного внешнего воздействия к внешней силе.

При этом, внешние воздействия могут себя проявлять в силовом отношении непосредственно (собственный вес), другие – опосредованно через деформации (температурные воздействия).

Нагрузки

Большинство внешних сил носят сложный характер распределения по поверхности контакта с конструкцией или ее объему. Поэтому прибегают к идеализации (упрощению) данного закона (например, равномерно распределенный по площади, линейно распределенный по линии и т.п.), что и определяет переход от внешней силы к нагрузке.

При этом, говоря в конечном итоге о нагрузке, необходимо держать в голове «природу» той внешней силы, которую она идеализирует («первопричину» внешней силы: через напряжения или через деформации). Данное обстоятельство необходимо для корректного назначения характеристик материала, построения расчетной схемы и последующего анализа результатов. Так, при прочностном анализе проявления температурного воздействия на конструкцию, кроме модуля деформации материала, необходим его коэффициент линейного температурного расширения; при этом статически определимые и статически неопределимые конструкции по разному реагируют на данное воздействие.

В итоге:

  • Внешние воздействия на конструкцию – суть проявления природных явлений и человеческой деятельности.
  • Внешние силы – результат проявления взаимодействия конструкции с внешними воздействиями с точки зрения напряженно-деформируемого состояния.
  • Нагрузки – идеализированное представление внешних сил.

     Внешние силы и, соответственно, идеализирующие их нагрузки классифицируются по ряду признаков, среди которых можно отметить следующие:

  • По месту расположения точек приложения сил к телу.
  • По характеру изменения интенсивности сил в процессе приложения.
  • По продолжительности воздействия сил на конструкцию.

Нагрузки по месту расположения точек приложения сил к телу.

а) Объемные, для которых точки приложения сил распределены по объему тела.

Носят характер взаимодействия без непосредственного соприкосновения (например, гравитационные силы).

Объемные силы характеризуются своей интенсивностью – величиной силы, приходящей на единицу объема. Соответственно размерность объемной силы – кН/м^3.

Идеализация при переходе от объемной силы к нагрузке происходит в отношении закона изменения интенсивности (например, равномерный закон изменения интенсивности нагрузки от собственного веса).

б) Поверхностные, для которых точки приложения сил распределены по поверхности тела. Носят характер взаимодействия с соприкосновением (например, силы от ветрового воздействия). Поверхностные силы характеризуются своей интенсивностью – величиной силы, приходящей на единицу площади. Соответственно, интенсивность поверхностной силы имеет размерность кН/м^2.

Идеализация при переходе от поверхностной силы к нагрузке происходит в отношении:

•закона изменения интенсивности (например, линейный или равномерный закон изменения интенсивности нагрузки от давления балки на стену по глубине ее опирания);

•площади распределения: при распределении силы по части поверхности, размеры которой соизмеримы с размерами поверхности (или по всей поверхности) говорят о нагрузке, распределенной по площади. Соответственно, интенсивность нагрузки, распределенной по площади имеет размерность кН/м^2;

      — при распределении силы по части поверхности, один из размеров которой существенно меньше соответствующего размера поверхности, говорят о нагрузке, распределенной по линии. При этом, имеют ввиду погонную равнодействующую поверхностной нагрузки, приведенную к линии. Соответственно, интенсивность нагрузки, распределенной по линии имеет размерность кН/м.п.;

      — при распределении силы по части поверхности, один из размеров которой существенно меньше соответствующего размера поверхности, говорят о нагрузке, распределенной по линии. При этом, имеют ввиду погонную равнодействующую поверхностной нагрузки, приведенную к линии. Соответственно, интенсивность нагрузки, распределенной по линии имеет размерность кН/м.п.;

      — при распределении силы по части поверхности, два размера которой существенно меньше соответствующих размеров поверхности, говорят о сосредоточенной нагрузке. При этом, имеют ввиду равнодействующую поверхностной нагрузки, приведенную к точке. Соответственно, интенсивность сосредоточенной нагрузки имеет размерность кН.

Нагрузки по характеру изменения интенсивности сил в процессе приложения

а) Статические, когда интенсивность силы изменяется очень медленно и возникающие в процессе ее приложения ускорения точек тела (силы инерции) настолько малы, что ими можно пренебречь (например, снеговая нагрузка).

б) Динамические, когда интенсивность сил инерции соизмерима с интенсивностью других сил.

В свою очередь, динамические нагрузки подразделяются на:

  • мгновенно приложенную, когда она возрастает от нуля до своего конечного значения в течение очень короткого времени (например, нагрузка при трогании с места лифта);
  • ударную, когда в момент ее приложения тело, вызывающее нагрузку, обладает определенной кинетической энергией (например, нагрузка от взрыва);
  • повторно-переменную, которая сопряжена с циклически повторяющимися движениями (например, нагрузка от виброоборудования).

Нагрузки по продолжительности действия сил на конструкцию.

а) Постоянные.

Нагрузки, время действия которых на конструкцию либо должно (нагрузки от веса несущих конструкций), либо может быть соизмеримо с временем ее эксплуатации (например, нагрузка от веса полов, кровли, потолков, ограждающих конструкций).

б) Временные.

Нагрузки, время действия которых на конструкцию существенно меньше времени ее эксплуатации. В свою очередь временные подразделяются на:

  • длительные, время действия которых достаточно, чтобы в конструкции проявили себя такие физико-механические процессы, как коррозия, ползучесть и т.п. (например, нагрузка от стационарного оборудования);
  • кратковременные, время действия которых практически не отразится на проявлении отмеченных физико-механических процессах (например, ветровая нагрузка);
  • особые или случайные, время, местодействие и интенсивность которых плохо поддается анализу (например, нагрузка от сейсмического воздействия).