В процессе работы или эксплуатации конструкций, сооружений и машин их элементы испытывают действие различных нагрузок. Нагрузки можно классифицировать по ряду признаков. Отметим некоторые из них.
Нагрузки поверхностные и объемные.
Поверхностные нагрузки можно рассматривать как результат взаимодействия различных конструктивных элементов друг с другом или с различными физическими объектами (грунт, вода, снег, и т. п.). При построении расчетных схем всегда важно установить характер и порядок (последовательность) передачи нагрузки от одного конструктивного элемента к другому.
Объемные нагрузки действуют на каждую частицу внутри тела. К таким нагрузкам относятся собственный вес конструкции, силы инерции, силы магнитного притяжения и т. п. В практике инженерных расчетов объемные нагрузки часто приводят к поверхностным нагрузкам, что упрощает решение задач.
Активные нагрузки и реакции связей.
Такое разделение нагрузок важно для построения расчетной схемы конструкции
и проведения расчета.
Активные нагрузки, как правило, известны или заданы в нормах проектирования. Реакции связей возникают в местах закрепления конструктивного элемента (на опорах) и подлежат определению из уравнений статики. Если этих уравнений недостаточно для определения опорных реакций, то кроме уравнений статики необходимо использовать дополнительные уравнения, составляемые исходя из характера или схемы деформации конструкции.
Нагрузки распределенные и сосредоточенные.
Все поверхностные нагрузки являются распределенными по некоторой поверхности конструкции или ее элементов (рис. 1.15).
Распределенные нагрузки характеризуются интенсивностью q, которая может быть переменной или постоянной. В последнем случае нагрузка называется равномерно распределенной. Распределенные поверхностные нагрузки имеют размерность силы, отнесенной к единице площади, например Н/м 2 (Па). Примерами распределенных поверхностных нагрузок могут служить давление жидкости на стенки резервуара (рис. 1.16), давление снега на покрытие здания, ветровые нагрузки и т. п. При расчете стержней распределенная по площади нагрузка приводится к линейной нагрузке, распределенной по длине стержня (рис. 1.17). Линейная распределенная нагрузка имеет размерность силы, отнесенной к единице длины, например, Н/м.
Она характеризуется равнодействующей, величина которой в общем случае равна
Точка приложения равнодействующей (точнее, линия ее действия) определяется по правилам статики. Приведение равномерно распределенной и треугольной (гидростатической)
нагрузок к равнодействующим показано на рис. 1.18, а, б.
При приведении нагрузки к оси стержня могут возникнуть распределенные по длине моментные нагрузки (пары сил). Чаще всего встречается распределенная скручивающая нагрузка т (х ), равнодействующая которой (рис. 1.23, в) в общем случае равна
При малой площади распределения нагрузку с той или иной степенью точности можно считать сосредоточенной (рис. 1,19, а, 6) или распределенной по линии (рис. 1.20).
Для задач. расчета конструкции в целом такая схематизация нагрузки обосновывается принципом Сен-Вепана. Однако, она недопустима, если надо изучить характер напряженного и деформированного состояний конструктивных элементов в самой зоне их взаимодействия,
что характерно для контактных задач. Примерами контактных задач являются, например, задача о давлении колеса на рельс (рис. 1.21), задача о взаимном давлении зубьев шестеренчатой передачи и т. п. Для стержней сосредоточенными нагрузками являются силы и пары сил (моменты), что показано на рис. 1.22, а, 6.
Сосредоточенная сила имеет размерность Н, кН, а сосредоточенный момент-соответственно Нм, кНм. По отношению к оси стержня все нагрузки можно привести к осевым (рис. 1.23, а), поперечным (рис. 1.23, 6) и скручивающим (рис. 1.23, в) составляющим.
Нагрузки статические и динамические.
Статическое нагружение конструкции характеризуется постепенным нарастанием нагрузки до ее конечного значения. При этом силами инерции без ущерба для точности расчета можно пренебречь.
При динамическом нагружении нагрузки либо меняют свою величину или положение в течение короткого промежутка времени (например, при ударе), либо являются периодическими с малым периодом колебаний (например, вибрационные нагрузки). В этих случаях учет сил инерции и частоты колебаний конструкции является обязательным и их определение составляет существенную часть расчета.
Нагрузки постоянные и временные.
Такое разделение нагрузок обусловлено методами расчета конструкций, в частности, введением коэффициентов надежности по нагрузке или коэффициентов запаса.
К постоянным нагрузкам относятся те из них, которые должны действовать в течение всего периода эксплуатации конструкции (например, собственный вес). Временные нагрузки носят периодический характер, например, давление людей и оборудования на перекрытие здания, напор ветра на башню и т. п. Эти нагрузки в эксплуатационный период могут существенно изменяться по величине и характеру действия.
Помимо внешних нагрузок конструкция может также испытывать тепловое воздействие (нагрев и охлаждение), вызывающее напряжения и деформации в ее элементах. Методы расчета конструкций на действие температуры рассматриваются в специальном разделе механики деформируемого твердого тела.