Классификация нагрузок

     Решили вы, например, сделать себе дом. Самостоятельно, без привлечения архитекторов-конструкторов. И в какой-то момент времени, обычно почти сразу, возникает необходимость рассчитать вес этого дома. И тут начинается череда вопросов: какова величина снеговой нагрузки, какую нагрузку должно выдерживать перекрытие, какой коэффициент использовать при расчёте деревянных элементов.  Но прежде, чем дать конкретные цифры, нужно понять, какова зависимость между длительностью воздействия нагрузки и её величиной.
     Нагрузки в общем виде делятся на постоянные и временные. А временные в свою очередь на длительные, кратковременные и мгновенные. Наверняка у неподготовленного читателя возникнет вопрос: а какая, собственно, разница, как классифицировать нагрузку? Возьмём, к примеру, нагрузку на междуэтажное перекрытие. В СНиПе прописано нормативное значение 150 кгс на квадратный метр. При внимательном прочтении документа легко заметить, что 150 кгс/м² (полное нормативное значение) применяется при классификации нагрузки как "Кратковременная", но если мы классифицируем её как "длительная", то нагрузка на перекрытие принимается уже всего-то 30 кгс/м²! Почему так происходит? Ответ кроется в глубинах теории вероятности, но для простоты поясню на примере. Представьте вес всего, что есть у вас в комнате. Возможно, вы коллекционер чугунных люков от колодцев, но статистически, если рассматривать тысячи комнат разных людей, то в среднем люди ограничиваются полутонной всевозможных предметов на комнату в 17 м². Полтонны - это не мало для комнаты! Но поделив нагрузку на площадь получим всего-то 30 кг/м². Цифра статистически подтверждена и закреплена в СНиП. А теперь представьте себе, что вы (весом 80 кг) входите в комнату, садитесь на кресло (весом 20 кг) и к вам на колени устраивается жена (весом 50 кг). Получается, на достаточно малую площадь действует нагрузка в 150 кг. Вы, конечно можете в таком тандеме всегда перемещаться по квартире, или просто самостоятельно весить все 150 кг, но вы не можете сидеть на месте неподвижно 10 лет. А значит, что нагрузку в эти 150 кг вы создаёте каждый раз в разном месте, в то время как в другом месте этой нагрузки нет. Т.е. в длительной перспективе вы не выйдите за среднестатистические 500 кг на 17 м², или 30 кг/м², но в кратковременный промежуток вы можете создать нагрузку в 150кг/м². А если вы занимаетесь прыжками на батуте при весе в 150 кг - то это уже будет "Мгновенная" нагрузка, и её расчёт проводится на основании индивидуальных особенностей, ибо статистики для таких случаев просто нету.

    Итак, с разницей между терминами немного разобрались, теперь к вопросу: а какая разница для нас, как проектировщиков? Если на доску давить небольшой массой на протяжении десятилетий - она таки прогнётся, а если надавить посильнее, а потом отпустить - доска вернёт своё исходное состояние. Вот именно этот эффект и учитывают присвоением классов нагрузки при расчёте прочности древесины. 

       Вся информация для статьи приведена из СНиП 2.01.07-85 "Нагрузки и воздействия". Поскольку я сторонник деревянного домостроения, я также буду ссылаться на частный случай классификации нагрузок по действующему на 2017 год КТП EN 1995-1-1-2009 "Проектирование деревянных конструкций", а так же упомяну Еврокод EN 1991. 

Классификация нагрузок по СНиП 2.01.07-85

       В зависимости от продолжительности действия нагрузок следует различать постоянные и временные нагрузки. 

Постоянные нагрузки

   К постоянным нагрузкам следует относить:

  • вес частей сооружений, в том числе вес несущих и ограждающих строительных конструкций;

  • вес и давление грунтов (насыпей, засыпок), горное давление;

  • гидростатическое давление;

  • сохраняющиеся в конструкции или основании усилия от предварительного напряжения так же следует учитывать в расчетах как усилия от постоянных нагрузок.

Временные нагрузки

      Временные нагрузки разделяются ещё на три класса:

1.  Длительные нагрузки

      К длительным нагрузкам следует относить:

  • вес временных перегородок, подливок и подбетонок под оборудование;

  • вес стационарного оборудования: станков, аппаратов, моторов, емкостей, трубопроводов с арматурой, опорными частями и изоляцией, ленточных конвейеров, постоянных подъемных машин с их канатами и направляющими, а также вес жидкостей и твердых тел, заполняющих оборудование;

  • давление газов, жидкостей и сыпучих тел в емкостях и трубопроводах, избыточное давление и разрежение воздуха, возникающее при вентиляции шахт;

  • нагрузки на перекрытия от складируемых материалов и стеллажного оборудования в складских помещениях, холодильниках, зернохранилищах, книгохранилищах, архивах и подобных помещениях;

  • температурные технологические воздействия от стационарного оборудования;

  • вес слоя воды на водонаполненных плоских покрытиях;

  • вес отложений производственной пыли, если ее накопление не исключено соответствующими мероприятиями;

  • нагрузки от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий с пониженными нормативными значениями;

  • снеговые нагрузки с пониженным нормативным значением, определяемым умножением полного нормативного значения на коэффициент:

    • 0,3 - для III снегового района,

    • 0,5 - для IV района;

    • 0,6 - для V и VI районов;

  • температурные климатические воздействия с пониженными нормативными значениями;

  • воздействия, обусловленные деформациями основания, не сопровождающимися коренным изменением структуры грунта, а также оттаиванием вечномерзлых грунтов;

  • воздействия, обусловленные изменением влажности, усадкой и ползучестью материалов.

2. Кратковременные нагрузки

     К кратковременным нагрузкам следует относить:

  • нагрузки от оборудования, возникающие в пускоостановочном, переходном и испытательном режимах, а также при его перестановке или замене;

  • вес людей, ремонтных материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования;

  • нагрузки от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий с полными нормативными значениями;

  • нагрузки от подвижного подъемно-транспортного оборудования (погрузчиков, электрокаров, кранов-штабелеров, тельферов, а также от мостовых и подвесных кранов с полным нормативным значением);

  • снеговые нагрузки с полным нормативным значением;

  • температурные климатические воздействия с полным нормативным значением;

  • ветровые нагрузки;

  • гололедные нагрузки.

3. Особые нагрузки

       К особым нагрузкам следует относить:

  • сейсмические воздействия;

  • взрывные воздействия;

  • нагрузки, вызываемые резкими нарушениями технологического процесса, временной неисправностью или поломкой оборудования;

  • воздействия, обусловленные деформациями основания, сопровождающимися коренным изменением структуры грунта (при замачивании просадочных грунтов) или оседанием его в районах горных выработок и в карстовых.

 

Нормативные нагрузки, упоминаемые выше, приведены в таблице:

   В актуализированной на 2011 год версии этого документа пониженные нормативные значения равномерно распределённых нагрузок определяются умножением их полных нормативных значений на коэффициент 0,35.
   Такая классификация была принята довольно продолжительное время и уже успела укорениться в сознании "постсоветского инженера". Однако, постепенно, вслед за всей Европой, мы переходим к так называемым Еврокодам.

Классификация нагрузок по Еврокоду EN 1991

       По еврокоду всё немного разнообразнее и сложнее. Все расчётные воздействия следует принимать согласно соответствующим разделам EN 1991:

  • EN 1991-1-1 Удельный вес, постоянные и временные нагрузки

  • EN 1991-1-3 Снеговые нагрузки

  • EN 1991-1-4 Ветровые воздействия

  • EN 1991-1-5 Температурные воздействия

  • EN 1991-1-6 Воздействия при производстве строительных работ

  • EN 1991-1-7 Особые воздействия

В соответствии с ТКП ЕN 1990 при рассмотрении воздействий применяют следующую классификацию:

  • постоянные воздействия G. Например, воздействия собственного веса, стационарного оборудования, внутренних перегородок, отделки и косвенные воздействия в результате усадки и/или осадки;

  • переменные воздействия Q. Например, прилагаемые полезные нагрузки, ветровые, снеговые и температурные нагрузки;

  • особые воздействия А. Например, нагрузки от взрывов и ударов.

     Если с постоянным воздействием всё более-менее понятно (просто берём объём материала и умножаем его на среднюю плотность этого материала и так по каждому материалу в конструкции дома), то переменные воздействия требуют пояснения. Особые воздействия в контексте частного строительства я рассматривать не буду.
       По Еврокоду величина воздействий характеризуется категориями использования строения по таблице 6.1:

      Не смотря на всю приведённую информацию Еврокод подразумевает использование национальных приложений, разрабатываемых к каждому разделу Еврокода индивидуально в каждой стране, использующей этот Еврокод. Эти приложения учитывают различные климатические, геологические, исторические и прочие особенности каждой страны, позволяя, тем не менее, придерживаться единых правил и стандартов в расчёте конструкций. К Еврокоду EN1991-1-1 национальное приложение имеется и оно в части величин нагрузок целиком и полностью ссылается на СНиП 2.01.07-85, рассмотренный в первой части этой статьи.

Классификация нагрузок при проектировании деревянных конструкций по Еврокоду EN1995-1-1

     На 2017 год в Беларуси действует документ на основе еврокода ТКП EN 1995-1-1-2009 "Проектирование деревянных конструкций". Поскольку документ относится к Еврокодам, предыдущая классификация по EN 1991 полностью применима и к деревянным конструкциям, однако имеет дополнительное уточнение. Так, в расчётах на прочность и пригодность к эксплуатации следует обязательно учитывать длительность действия нагрузки и влияние влажности! 

     Классы длительности действия нагрузок характеризуются воздействием постоянной нагрузки, действующей в определённый период времени при эксплуатации сооружения. Для переменного воздействия определяется соответствующий класс на основе оценки взаимодействия между типовой вариацией нагрузки и временем.

   Это общая классификация, рекомендованная Еврокодом но, структура Еврокодов, как я уже упоминал, подразумевает использование Национальных Приложений, разрабатываемых в каждой стране индивидуально, и, конечно, для Беларуси это приложение тоже имеется. В нём немного сокращена классификация длительности:

Данная классификация в достаточной степени коррелирует с классификацией по СНиП 2.01.07-85.


Зачем нам знать всё это?
  • Влияние на прочность древесины

   В контексте проектирования и расчёта деревянного дома  и любого его элемента классификация нагрузок совместно с классом эксплуатации имеет важное значение и может более чем вдвое (!) изменять расчётную прочность древесины. Например, все расчётные значения прочности древесины, помимо прочих коэффициентов, умножаются на так называемый коэффициент модификации kmod:

    Как видно из таблицы, в зависимости от класса длительности воздействия нагрузки и условий эксплуатации одна и та же доска I сорта способна выдержать нагрузку, к примеру на сжатие 16,8 МПа при кратковременном воздействии в  отапливаемом помещении и лишь 9,1 МПа при постоянной нагрузке в пятом классе условий эксплуатации.

  • Влияние на прочность композитной арматуры

      При проектировании фундаментов и железобетонных балок иногда используют композитную арматуру. И если на стальную арматуру длительность действия нагрузок не оказывает существенного влияния, то с композитной всё очень по другому. Коэффициенты влияния длительности нагрузки для АКП приведены в Приложении Л к СП63,13330:

    В формуле расчёта сопротивления растяжению, приведённой в табличке выше есть коэффициент yf - это коэффициент надёжности по материалу, принимаемый при расчёте по предельным состояниям второй группы равным 1, а при расчётен по первой группе - равным 1,5. Например, в балке на открытом воздухе прочность стеклопластиковой арматуры может быть 800*0,7*1/1=560 МПа, но при длительной нагрузке 800*0,7*0,3/1=168 МПа.

  • Влияние на величину распределённой нагрузки

      Согласно СНиП 2.01.07-85, нагрузки от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий принимаются с пониженным нормативным значением, если мы относим эти нагрузки к длительным. Если мы их классифицируем как кратковременные - то принимаем полные нормативные значения нагрузок. Такие различия формируются теорией вероятностей и математически просчитаны, но в Своде правил представлены в виде уже готовых ответов и рекомендаций. Такое же влияние классификации есть и на снеговые нагрузки, но снеговые нагрузки я рассмотрю уже в другой статье.

Что нужно считать?

     Мы уже разобрались немного с классификацией нагрузок и поняли, что нагрузки на перекрытия и снеговые нагрузки относятся ко временным нагрузкам, но при этом могут относится как к длительным, так и к кратковременным. Причём их величина может значительно отличаться в зависимости от того, к какому классу мы их причислим. Неужели в таком важном вопросе решение зависит от нашего желания? Конечно нет! 
        В ТКП EN 1995-1-1-2009 "Проектирование деревянных конструкций" есть следующее предписание: если сочетание нагрузки состоит из воздействий, которые принадлежат к разным классам длительности действия нагрузки, то нужно применять значение коэффициентов модификации, которое соответствует воздействию меньшей длительности, например для комбинации собственного веса и кратковременной нагрузки применяется значение коэффициента, соответствующего кратковременной нагрузке.
    В СП 22.13330.2011 "Основания зданий и сооружений" указание таково: нагрузки на перекрытия и снеговые нагрузки, которые согласно СП 20.13330 могут относиться как к длительным, так и к кратковременным, при расчете оснований по несущей способности считают кратковременными, а при расчете по деформациям - длительными. Нагрузки от подвижного подъемно-транспортного оборудования в обоих случаях считают кратковременными.

Спасибо всем, кто помогает проекту! Любая ваша помощь значима!

Российский руб.

© 2015 «Project - House».  

Сайт Дмитрия Петрова