Классификация нагрузок техническая механика кратко

Обновлено: 25.06.2024

Знание - сила, а знание сил - залог долгой жизни для человека, замыслившего расчет строительных конструкций.

В данном случае имеются в виду физические силы, а всякие там силы духа, мысли, третьего глаза и тому подобные не рассматриваются. Во всяком случае до тех пор, пока телепаты и экстрасенсы не начнут вместо подъемных механизмов работать на стойках народного хозяйства, силой мысли перемещая панели и плиты перекрытия, а не ложки и стаканы в различных телешоу.

Вот только и с физическими силами далеко не все просто и понятно, как хотелось бы. Для начала все, что нас окружает и даже входит в наш состав, можно представить в виде физических сил, а физические силы принято делить на внешние и внутренние. При этом внешние силы называются нагрузками, а внутренние силы - напряжениями. Причем в зависимости от характера решаемой задачи внешние силы могут рассматриваться как внутренние и наоборот. Делать это относительно легко и незаметно для стороннего наблюдателя позволяет сила мысли, в частности закон равнодействия сил, сформулированный Ньютоном. Смысл этого закона сводится к тому, что сила противодействия равна по значению силе действия и направлена в противоположную сторону. Этот закон позволяет относительно легко составлять и решать уравнения равновесия для системы сил.

Нагрузками - внешними силами - занимается теоретическая механика, а напряжения - внутренние силы - удел теории сопротивления материалов и различных теорий упругости. Впрочем, как я уже говорил, деление сил на внешние и внутренние достаточно условно. Как в исследуемом материале возникают напряжения, как они распределены по длине, ширине и высоте элемента, куда направлены и чему равны - отдельная большая тема, нас же в данном случае интересует, откуда берутся внешние нагрузки, эти самые внутренние напряжения вызывающие.

Нагрузками, наиболее часто рассматриваемыми при расчете строительных конструкций, являются массы тел (причем далеко не всегда только физическая масса, а иногда еще и инерционная, но об этом чуть позже) и разница давлений. Но это далеко не все, что можно сказать о нагрузках.

В теоретической механике и сопромате принято различать нагрузки, действующие на рассчитываемые конструкции или элементы конструкций, по различным признакам. Одним из таких признаков является время действия нагрузки. По времени действия нагрузки делятся на постоянные и временные:

Постоянные нагрузки

Нагрузки, действующие на конструкцию в течение всего времени эксплуатации конструкции, будь то одна секунда или одно тысячелетие.

Как правило к постоянным нагрузкам относится только нагрузка от собственного веса конструкции. Например, для ленточного фундамента постоянной нагрузкой будет собственный вес всех элементов здания, а для фермы перекрытия - собственный вес верхнего и нижнего пояса, стоек, раскосов и соединительных элементов. При этом для каменных или железобетонных элементов нагрузка от собственного веса может составлять больше половины от расчетной нагрузки, а при расчете фундамента и все 90%, а для металлических и деревянных конструкций покрытий и перекрытий нагрузка от собственного веса как правило не превышает 3-10%.

Временные нагрузки

Это все остальные нагрузки, действующие на конструкцию.

В свою очередь временные нагрузки принято разделять на длительные и кратковременные:

Длительные нагрузки

Нагрузки - время действия которых значительно больше времени, в течение которого в конструкции происходят деформации под действием этих нагрузок.

Дело в том, что любое тело, в том числе и человеческое, под действием нагрузок деформируется, т.е. изменяются геометрические параметры тела, такие как длина, ширина, высота, прямолинейность осей и др., а это может непосредственно влиять на работу рассматриваемого элемента. Например, когда при расчете на прочность (расчет по 1 группе предельных состояний) мы составляем уравнения равновесия для балки, рассматриваемой, как прямолинейный стержень, то влияние деформаций мы при этом не учитываем. Учет деформаций ведется при расчете по 2 группе предельных состояний. Так вот, деформация любого тела - процесс не мгновенный. Проще говоря, на то чтобы материал деформировался - нужно время и чем больше инерционная масса рассматриваемого элемента, тем больше времени на деформацию нужно. Например, для легкого материала, например корабельного паруса из мешковины, порыв ветра может рассматриваться как длительная нагрузка, а вот для каменной стены толщиной в 1 метр тот же порыв ветра может рассматриваться как кратковременная нагрузка. Поэтому деление на длительные и кратковременные нагрузки является достаточно условным и зависит от инерционной массы рассматриваемого материала. А кроме того при этом следует учитывать и другие факторы, влияющие на время развития деформаций. Например, время деформации проседающих или пучинистых грунтов может измеряться неделями и даже месяцами, потому нагрузка от снега, лежащего несколько дней на кровле здания, при расчете фундамента может рассматриваться как кратковременная. А вот при расчете кровельного покрытия эта же нагрузку следует рассматривать как длительную.

Кратковременные нагрузки

Нагрузки - время действия которых сопоставимо со временем, в течение которого конструкция деформируется под действием этих нагрузок.

Но в данном случае для описания кратковременной нагрузки только времени действия недостаточно, потому как, если вы аккуратно поставите на 1 секунду мешок с цементом на пол - это одна нагрузка, а если вы тот же мешок с цементом уроните на пол с высоты 1 метр, при этом время контакта мешка с полом будет составлять все ту же 1 секунду, но это будет уже совсем другая нагрузка.

Для более точного определения нагрузки дополнительно разделяются на статические и динамические.

Статические нагрузки

Условно говоря, это силы, приложенные с минимальным ускорением или с ускорением, стремящимся к нулю.

Таким образом действие инерционной силы при столь малых ускорениях стремится к нулю и расчет ведется только на действие силы от физической массы. Или так: При воздействии статических нагрузок происходит относительно медленное нарастание деформаций, и потому инерционными массами отдельных элементов конструкции, перемещающихся в процессе деформации, можно пренебречь, так как ускорения таких перемещений являются незначительными. В результате этого равновесие между внешними и внутренними силами в любой момент действия статической нагрузки остается как бы неизменным.

К статическим относятся постоянные и длительные нагрузки, иногда кратковременные нагрузки.

Динамические нагрузки

Это нагрузки, изменяющиеся не только во времени, но и в пространстве.

Для динамических нагрузок характерна относительно большая скорость приложения, что требует при расчетах учитывать инерционную массу как объекта, создающего нагрузку, так и элемента, подвергающегося воздействию нагрузки. Другими словами, следует учитывать характер движения объекта создающего нагрузку, а также то, что инерционные массы элементов конструкции, подвергающиеся воздействию динамической нагрузки, перемещаются с ускорением и влияют на напряженно-деформированное состояние элементов. Чтобы учесть это влияние, в уравнения статического равновесия к внешним и внутренним силам добавляются силы инерции на основании принципа Даламбера. Добавление инерционных сил позволяет рассматривать любую движущуюся систему как находящуюся в состоянии статического равновесия в любой момент времени. Таким образом динамические нагрузки вызывают в материале исследуемого элемента конструкции динамические напряжения и поведение материала при этом оказывается отличным от поведения при статических напряжениях.

В свою очередь динамические нагрузки в зависимости от характера движения бывают также нескольких видов. Для строительных конструкций наиболее важными являются подвижные и ударные нагрузки:

Подвижные нагрузки

Это нагрузки возникающие в результате перемещения некоего объекта по поверхности исследуемой конструкции (вдоль рассматриваемой оси элемента).

Например, автомобиль, проезжающий по мосту, создает подвижную нагрузку на элементы моста. При этом подвижная нагрузка будет зависеть не только от массы автомобиля, но и от его скорости и траектории движения. Например, при движении по окружности центробежная сила будет тем больше, чем больше скорость движения, потому улететь в кювет на плохой дороге на большой скорости - пара пустяков.

Ударные нагрузки

Это нагрузки, возникающие в момент соприкосновения перемещающегося объекта с поверхностью исследуемой конструкции (вдоль или поперек рассматриваемой оси элемента).

Однако и это еще не все варианты классификации нагрузок. По площади приложения нагрузки делятся на сосредоточенные и распределенные.

Сосредоточенные нагрузки

Это силы, площадь приложения которых пренебрежимо мала по сравнению с площадью рассчитываемой конструкции.

Можно сказать, что сосредоточенная нагрузка - это и есть сила, действующая на конструкцию. При этом площадь действия силы не учитывается, а потому измеряется сосредоточенная нагрузка в килограммах или Ньютонах.

Распределенные нагрузки

Это все остальные нагрузки, т.е. силы, распределяющиеся по длине и ширине элемента.

Разнообразие распределенных нагрузок поистине не поддается описанию. Распределенные нагрузки могут равномерно и неравномерно распределенными, равномерно и неравномерно изменяющимися по длине или ширине, при этом характер изменения нагрузки может описываться уравнением параболы, синусоиды, окружности, овала и любым другим уравнением.

А самое примечательное во всем этом то, что один и тот же человек в зависимости от ситуации может рассматриваться и как сосредоточенная нагрузка и как распределенная, и как статическая и как динамическая и только постоянной нагрузкой человек быть не может.

В целом все это выглядит не совсем понятно, однако ничего страшного в этом нет, как говорится, лучше один раз рассчитать конструкцию, чем 100 раз прочитать, как это делается. Примеров расчета на сайте хватает. А кроме того, понимание основ сопромата позволяет в большинстве случаев определять нагрузки так, чтобы максимально упростить расчет.

На этом пока все.

Доступ к полной версии этой статьи и всех остальных статей на данном сайте стоит всего 30 рублей. После успешного завершения перевода откроется страница с благодарностью, адресом электронной почты и продолжением статьи. Если вы хотите задать вопрос по расчету конструкций, пожалуйста, воспользуйтесь этим адресом. Зараннее большое спасибо.)). Если страница не открылась, то скорее всего вы осуществили перевод с другого Яндекс-кошелька, но в любом случае волноваться не надо. Главное, при оформлении перевода точно указать свой e-mail и я обязательно с вами свяжусь. К тому же вы всегда можете добавить свой комментарий. Больше подробностей в статье "Записаться на прием к доктору"

Для терминалов номер Яндекс Кошелька 410012390761783

Номер карты Ymoney 4048 4150 0452 9638 SERGEI GUTOV

Для Украины - номер гривневой карты (Приватбанк) 5168 7422 4128 9630

Примечание: Возможно ваш вопрос, особенно если он касается расчета конструкций, так и не появится в общем списке или останется без ответа, даже если вы задатите его 20 раз подряд. Почему, достаточно подробно объясняется в статье "Записаться на прием к доктору" (ссылка в шапке сайта).

В задачах статики для абсолютно твердых тел распределенную нагрузку можно заменить равнодействующей сосредоточенной силой (рис. 6.1).

q — интенсивность нагрузки; I — длина стержня;

G = ql — равнодействующая распределенной нагрузки.

Разновидности опор балочных систем (см. лекцию 1)

Балка — конструктивная деталь в виде прямого бруса, закрепленная на опорах и изгибаемая приложенными к ней силами.

Высота сечения балки незначительна по сравнению с длиной.

Жесткая заделка (защемление) (рис. 6.2)

Опора не допускает перемещений и поворотов. Заделку заменяют двумя составляющими силы Rax и и парой с моментом Mr.

Для определения этих неизвестных удобно использовать систему уравнений в виде

Каждое уравнение имеет одну неизвестную величину и решается без подстановок.

Для контроля правильности решений используют дополнительное уравнение моментов относительно любой точки на балке, например

Шарнирно-подвижная опора (рис. 6.3)

Опора допускает поворот вокруг шарнира и перемещение вдоль опорной поверхности. Реакция направлена перпендикулярно опорной поверхности.

Шарнирно-неподвижная опора (рис. 6.4)

Опора допускает поворот вокруг шарнира и может быть заменена двумя составляющими силы вдоль осей координат.

Балка на двух шарнирных опорах (рис. 6.5)

Не известны три силы, две из них — вертикальные, следовательно, удобнее для определения неизвестных использовать систему уравнений во второй форме:

Составляются уравнения моментов относительно точек крепления балки. Поскольку момент силы, проходящей через точку крепления, равен 0, в уравнении останется одна неизвестная сила.

Для контроля правильности решения используется дополнительное уравнение

При равновесии твердого тела, где можно выбрать три точки, не лежащие на одной прямой, удобно использовать систему уравнений в третьей форме (рис. 6.6):

Виды нагрузок

По способу приложения нагрузки делятся на

Если реально передача нагрузки происходит на пренебрежимо малой площадке (в точке), нагрузку называют сосредоточенной.

Часто нагрузка распределена по значительной площадке или линии (давление воды на плотину, давление снега на крышу и т.п.), тогда нагрузку считают распределенной.

q — интенсивность нагрузки; I — длина стержня;

G = ql — равнодействующая распределенной нагрузки.

Разновидности опор балочных систем (см. лекцию 1)

Высота сечения балки незначительна по сравнению с длиной.

Жесткая заделка (защемление) (рис. 6.2)

Для определения этих неизвестных удобно использовать систему уравнений в виде

Каждое уравнение имеет одну неизвестную величину и решается без подстановок.

Шарнирно-подвижная опора (рис. 6.3)

Шарнирно-неподвижная опора (рис. 6.4)

Опора допускает поворот вокруг шарнира и может быть заменена двумя составляющими силы вдоль осей координат.

Балка на двух шарнирных опорах (рис. 6.5)

Для контроля правильности решения используется дополнительное уравнение

Статические нагрузки (рис. 18.2 а) не меняются со временем или меняются очень медленно. При действии статических нагрузок проводится расчет на прочность.

Повторно-переменные нагрузки (рис. 18.26) многократно меняют значение или значение и знак. Действие таких нагрузок вызывает усталость металла.

Динамические нагрузки (рис. 18.2«) меняют свое значение в короткий промежуток времени, они вызывают большие ускорения и силы инерции и могут привести к внезапному разрушению конструкции.

Из теоретической механики известно, что по способу приложения нагрузки могут быть сосредоточенными или распределенными по поверхности.

Реально передача нагрузки между деталями происходит не в точке, а на некоторой площадке, т. е. нагрузка является распределенной.

Однако если площадка контакта пренебрежительно мала по сравнению с размерами детали, силу считают сосредоточенной.

При расчетах реальных деформируемых тел в сопротивлении материалов заменять распределенную нагрузку сосредоточенной не следует.

Аксиомы теоретической механики в сопротивлении материалов используются ограниченно.

Нельзя переносить пару сил в другую точку детали, перемещать сосредоточенную силу вдоль линии действия, нельзя систему сил заменять равнодействующей при определении перемещений Все вышеперечисленное меняет распределение внутренних сил в конструкции.

Формы элементов конструкции

Все многообразие форм сводится к трем видам по одному признаку.

Брус — любое тело, у которого длина значительно большЕ других размеров.

В зависимости от форм продольной оси и поперечных сечении различают несколько видов брусьев:

— прямой брус постоянного поперечного сечения (рис. 18.3а);

— прямой ступенчатый брус (рис. 18.36);

— криволинейный брус (рис. 18.3в).

Пластина — любое тело, у которого толщина значительно меньше других размеров (рис. 18.4).

Массив — тело, у которого три размера одного порядка.

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Образовательный сайт для студентов и школьников

В технической и строительной механике, а также в сопротивлении материалов различают следующие виды нагрузок:

1 По происхождению:

Полезные нагрузки, для восприятия которых возводится сооружение (оборудование, краны, транспорт, гидростатическое давление в плотинах);
Собственный вес конструкций;
Природные нагрузки (ветер, снег, землетрясения и др.)

2 По продолжительности действия:

Постоянная — это собственный вес и некоторые виды полезных нагрузок.
Временная, подразделяется на:
- длительную
- кратковременную (вес людей, атмосферная нагрузка)
- особую (сейсмическая, температура, осадки опор)

3 По характеру действия:

Статические — величина, направление и положение нагрузки неизменны во времени (нет инерции);
Динамические — нагрузки вызывающие инерционные силы.

При расчете конструкций нагрузки и воздействия должны учитываться в наиболее невыгодных комбинациях.

Различают основные, дополнительные и особые сочетания нагрузок:

Основные — это постоянная + длительная временная и одна из наиболее существенных кратковременных временных нагрузок;
Дополнительные — это постоянная + временная длительная и все кратковременные временные нагрузки.
Особые сочетания — это постоянная + временная длительная + все кратковременные временные плюс особые нагрузки.

Виды внешних воздействий

Рис. 2.1 – Силовое воздействие (Р) (постоянная, динамическая)

Рис. 2.2 – Температурное воздействие (t)

Рис. 2.3 – Смещение опор (с)

Читайте также: