14. Классификация нагрузок

Постоянные нагрузки.

В зависимости от продолжительности действия нагрузки делят на постоянные и временные.

Постоянными нагрузками являются вес несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений, вес и давление грунтов, воздействие предварительного напряжения железобетонных конструкций.

Временные нагрузки. Длительные нагрузки.

К ним относятся: вес стационарного оборудования на перекрытиях — станков, аппаратов, двигателей, емкостей и т. п.; давление газов, жидкостей, сыпучих тел в емкостях; вес специфического содержимого в складских помещениях, холодильниках, архивах библиотеках и подобных зданиях и сооружениях; установленная нормами часть временной нагрузки в жилых домах, служебных и бытовых помещениях; длительные температурные технологические воздействия от стационарного оборудования; нагрузки от одного подвесного или одного мостового крана, умноженные на коэффициенты: 0,5 для кранов среднего режима работы и на 0,6; 0,7 для кранов тяжелого режима работы; снеговые нагрузки для III—VI климатических районов с коэффициентами 0,3...0,6. Указанные значения крановых, некоторых временных и снеговых нагрузок составляют часть полного их значения и вводятся в расчет при учете длительности действия нагрузок этих видов на перемещения, деформации, образование трещин. Полные значения этих нагрузок относятся к кратковременным.

Кратковременные. К ним относятся: вес людей, деталей, материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования — проходах и других свободных от оборудования участках; часть нагрузки на перекрытиях жилых и общественных зданий; нагрузки, возникающие при изготовлении, перевозке и монтаже элементов конструкций; нагрузки от подвесных и мостовых кранов, используемых при возведении или эксплуатации зданий и сооружений; снеговые и ветровые нагрузки; температурные климатические воздействия.

Особые нагрузки. К ним относятся: сейсмические и взрывные воздействия; нагрузки, вызываемые неисправностью или поломкой оборудования и резким нарушением технологического процесса (например, при резком повышении или понижении температуры и т. п.); воздействия неравномерных деформаций основания, сопровождающиеся коренным изменением структуры грунта (например, деформации просадочных грунтов при замачивании или вечномерзлых грунтов при оттаивании), и др.

15. Нормативные и расчетные нагрузки

Нормативные нагрузки устанавливаются нормами по заранее заданной вероятности превышения средних значений или по номинальным значениям. Нормативные постоянные нагрузки принимаются по проектным значениям геометрических и конструктивных параметров и по средним значениям плотности. Нормативные временные технологические и монтажные нагрузки устанавливают по наибольшим значениям, предусмотренным для нормальной эксплуатации; снеговые и ветровые - по средним из ежегодных неблагоприятных значений или по неблагоприятным значениям, соответствующим определенному среднему периоду их повторений.

Расчетные нагрузки. Их значения при расчете конструкций на прочность и устойчивость определяют умножением нормативной нагрузки на коэффициент надежности по нагрузке γ_f, обычно большe единицы, например g=g_nγ_f Коэффициент надежности при действии веса бетонных и железобетонных конструкций γ_f = 1,1; веса конструкций из бетонов на легких заполнителях (со средней плотностью 1800 кг/м3 и менее) и различных стяжек, засыпок, утеплителей, выполняемых в заводских условиях, γ_f = l,2, на монтаже γ_f =1,3; различных временных нагрузок в зависимости от их значения — при полном нормативном значении менее 2,0 кПа γ_f = 1,3, при полном нормативном значении 2,0 кПа и более γ_f = 1,2. Коэффициент надежности при действии веса конструкций, применяемый в расчете на устойчивость положения против всплытия, опрокидывания и скольжения, а также в других случаях, когда уменьшение массы ухудшает условня работы конструкции, принят γ_f = 0,9. При расчете конструкций на стадии возведения расчетные кратковременные нагрузки умножают на коэффициент 0,8. При расчете конструкций по деформациям и перемещениям (по второй группе предельных состояний) расчетные нагрузки принимают равными нормативным значениям с коэффициентом γ_f = 1.

Сочетание нагрузок. Конструкции должны быть рассчитаны на различные сочетания нагрузок или соответствующие им усилия, если расчет ведут по схеме неупругого состояния. В зависимости от состава учитываемых нагрузок различают: основные сочетания, включающие постоянные, длительные и кратковременные нагрузки или усилия от них; особые сочетания, включающие постоянные, длительные, возможные кратковременные и одна из особых нагрузок или усилий от них.

В основных сочетаниях при учете не менее двух временных нагрузок их расчетные усилия умножают на коэффициенты сочетания равные:для длительных нагрузок ѱ₁=0,95; для кратковременных ѱ₂=0,9. При учете же одной временной нагрузки ѱ₁=ѱ₂=1. Нормами допускается при учете трех или более кратковременных нагрузок их расчетные значения умножать на коэффициенты сочетаний: ѱ₂=1- для первой по степени важности кратковременной нагрузки; ѱ₂=0,8- для второй; ѱ₂=0,6-для остальных.

В особых сочетаниях для длительных нагрузок ѱ₁=0,95, для кратковременных ѱ₂=0,8, кроме случаев, оговоренных в нормах проектирования зданий и сооружений в сейсмических районах.

Снижение нагрузок. При расчете колонн, стен, фундаментов многоэтажных зданий временные нагрузки на перекрытия допускается снижать, учитывая степень вероятности их одновременного действия. Нормами также допускается снижать временные нагрузки при расчете балок и ригелей в зависимости от площади загружаемого перекрытия.

Вопрос № 16

Степень ответственности зданий и сооружений определяется размером материального и социального ущерба, возникающего в случае достижения ими предельного состояния. При проектировании это учитывают путём введения в расчёт коэффициента надёжности по назначению _n, значение которого зависит от класса ответственности здания или сооружения. На коэффициент _n надо умножать расчётные значения нагрузок, усилий или иных воздействий.

СНиП 2.01.07-85* установлено три класса ответственности для зданий и сооружений:

Класс I, _n = 1,0 и более; к этому классу относятся главные корпуса ТЭС, АЭС, телевизионные башни, промышленные трубы высотой более 200 м, резервуары для нефти и нефтепродуктов вме­стимостью свыше 10 тыс. м3, крытые спортивные сооружения с трибунами, здания театров, кинотеатров, цирков, крытых рын­ков, учебных заведений, детских дошкольных учреждений, боль­ниц, родильных домов, музеев, государственных архивов и т. п.;

Класс II, _n = 0,95; к этому классу относятся здания и сооружения объектов, имеющих важное народнохозяйственное и (или) социальное значение (объекты промышленного, сельскохозяйственного, жилищно-гражданского назначения и связи, не вошедшие в I и III классы);

Класс III, _n = 0,9; к этому классу относятся здания и сооружения, имеющие ограниченное народнохозяйственное и (или) социальное значение: склады без процессов сортировки и упаковки для хранения сельскохозяйственных продуктов, удобрений, химикатов, угля, торфа и др., теплицы, парники, одноэтажные жилые дома и т. п.

Вопрос № 17

При проведении испытаний по определению прочности материала конструкции, как правило, пользуются следующими неразрушающими методами:

• метод упругого отскока;

• метод отрыва со скалыванием и скалывания ребра конструкции;

• ультразвуковой метод определения прочности;

• метод ударного импульса.

Использование указанных методов, позволяет получить достоверную оценку прочности строительных материалов, не нарушая целостность элементов конструкций. Назначение необходимого количества контролируемых участков и их расположение осуществляется в соответствии действующими нормативными документами, а также из особенностей конструкций и условий доступности к ним. Методом упругого отскока, с использованием различных приборов, возможно, определять как прочностные характеристики бетона, так и металла. Метод отрыва со скалыванием ребра конструкции используется для наиболее точного определения прочностных характеристик бетона в железобетонных конструкциях.

К механическим методам испытаний относятся методы местных разрушений, пластических деформаций и упругого отскока. Метод местных разрушений связан с некоторым ослаблением несущей способности конструкций, поскольку образцы для испытаний извлекаются непосредственно из самой конструкции. Отбор образцов обычно производят из наименее напряженных элементов конструкций, например, из верхних поясов балок у крайних шарнирных опор, из нулевых стержней ферм и т.п. После извлечения образцов из тела конструкции необходимо сразу же восстановить конструкцию, а испытания образцов осуществить немедленно. В противном случае необходимо принять меры для консервации образцов.

Рациональной является также установка бездонных форм, закладываемых в тело конструкции при ее бетонировании и извлекаемых затем для проведения испытаний. А меньшей мере подвергаются внешним возмущениям конструкции при использовании приемов, основанных на косвенном определении механических характеристик. Так, прочность бетона может быть испытана на отрыв со скалыванием. Эти испытания связаны с извлечением из тела бетона заранее установленных анкеров, либо с отрывом из массива некоторой его части. Прием, основанный на определении прочности бетона отрывом, менее трудоемок, В этом случае на поверхности бетона с помощью эпоксидного клея крепят стальной диск, а определение класса бетона производят по градуировочной зависимости условного напряжения R = 4P/πd2 при отрыве. Скорость нагружения диска не должна превышать 1 кН/с. На каждом образце проводят испытания на отрыв на двух противоположных гранях. Прочность бетона может быть установлена путем скалывания участка ребра конструкции усилием Р. При ширине площадки скалывания 30 мм ребро конструкции повреждается на участке 60 – 100 мм. Для получения приемлемых результатов проводят испытания на двух соседний участках и берут среднее значение, а для построения градуирочной зависимости усилия скалывания от прочности бетона на сжатие испытывают стандартные бетонные кубы со стороной 200 мм. Метод пластических деформаций основан на оценке местных деформаций, вызванных приложением к конструкции сосредоточенных усилий. Этот метод основан на зависимости размеров отпечатка на поверхности элемента, полученного при вдавливании инпендера статистическим или динамическим воздействием, от прочности материала. Достоинство этого метода – в его технологической простоте, недостаток – в оценке прочности материала по состоянию поверхностных слов. При определении прочности бетона пользуются приборами как статистического действия (штамп НИИЖБа и прибор М.А. Новгородского), так и ударного (молоток К.П, Кашкарова). Принцип действия штампа НИИЖБа заключается в том, что между испытываемой поверхностью и штампом прокладываются листы белой и копировальной бумаги так, чтобы на белой бумаге оставался отпечаток штампа при его вдавливании в тело бетона гидравлическим домкратом. По диаметру отпечатка с помощью градуировочной кривой в зависимости от радиуса штампа r и силы Р вдавливания определяют класс бетона. Большее применение в практике находит молоток К.П. Кашкарова. Принцип определения прочности бетона с его помощью аналогичен описанному выше. Отличие заключается в том, что удар молотком наносят вручную, и в зависимости от отношения диаметра отпечатка d0 на бетоне и диаметра отпечатка на эталонном стержне dЭ молотка (d0/dЭ) по градуировочной кривой определяют прочность бетона.

Наиболее стабильные и приемлемые результаты при использовании молотка К.П. Кашкарова получают, если бетон испытывается в возрасте 28 суток и при влажности 2 – 6 %. В других случаях прочность бетона на сжатие R можно определить по формуле: R = KB Kt K28 где KB – коэффициент, учитывающий влажность в бетона; Kt – коэффициент, учитывающий возраст бетона. Эти методы рекомендуется определять опытным путем. Метод упругого отскока основан на существовании зависимости между параметрами, характеризующими упругие свойства материала, и параметрами, определяющими прочность на сжатие. Существует два принципа построения приборов. Один основан на отскакивании бойка от ударника – наковальни, прижатого к поверхности испытуемого материала, другой - на отскакивание от поверхности испытуемого материала. Наиболее распространен первый принцип, который реализован в молотке Шмидта, широко применяемом за рубежом. В нашей стране этот молоток известен как склерометр Шмидта. Склерометры Шмидта выпускают в основном пружинного типа. Молоток состоит из алюминиевого корпуса, в котором по штоку перемещается ударник. При вдавливании ударника пружина растягивается, и после освобождения энергия растянутой пружины передается ударнику. После удара по испытываемому материалу ударник отскакивает на расстояние, которое фиксируется стрелкой на шкале прибора, и по специальной тарировочной шкале или диаграмме, приданной данному прибору, определяется прочность материала.

Вопрос №18

Магнитные методы основаны на регистрации магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектами или на определении магнитных изделий. Магнитные методы испытаний можно классифицировать по способам регистрации магнитных полей рассеяния или определения магнитных свойств контролируемых изделий. Основными являются следующие методы: магнитопорошковый, магнитографический, феррозондовый, индукционный. Магнитопорошковый метод - один из самых распространенных для обнаружения дефектов (типа нарушения сплошности металла). Он применяется только для контроля деталей из ферромагнитных материалов. Этот метод позволяет выявлять дефекты без разрушения изделий: неметаллические и шлаковые включения, пустоты, расслоения, дефекты сварки и трещины. Метод особенно эффективен в резервуаростроении. Магнитографический метод состоит в записи магнитных полей рассеяния над дефектом на магнитную ленту. Этот метод применяется для проверки сплошности сварных швов различных сооружений изготовленных из ферромагнитных сталей с толщиной стены до 18 мм. Феррозондовый метод основан на преобразовании градиента или напряженности магнитного поля в электрический сигнал. Индукционный метод основан на том, что выявление полей рассеяния в намагниченном контролируемом металле осуществляется с помощью катушки с сердечником, которая питается переменным током и является элементом мостовой схемы. Индукционный метод применяют для выявления трещин, непроваров и включений при контроле сварных швов.

Вопрос №19

Ультразвуковые акустические методы основаны на изучении характера распространения звука в конструкционных материалах. Звук – колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой и твердой среде. Упругие волны подразделяются на инфразвуковые, частота которых находится в пределах то 2 Гц до 20 кГц, и ультразвуковые с частотой от 20 кГц до 100 МГц. При испытании бетона и керамики применяют ультразвуковые колебания с частотой от 20 до 200 кГц, при испытании металлов и пластмасс – с частотой от 30 кГц до 10 МГц. В практике определения прочностных свойств бетона в основном применяется измерение скорости распространения продольных ультразвуковых волн. Сущность ультразвукового импульсного метода состоит в том, что измеряют скорость распространения через бетон переднего фронта ультразвуковой волны v. Исходя из зависимости R = f (v), по измеренной v определяют прочность бетона. Для измерения v необходимо знать время прохождения ультразвука на участке определенной длины, называемой базой прозвучивания l. Поскольку скорость ультразвука в бетоне велика (до 5 м/с), при обычных значениях l (до 1,5 м) приходится определять весьма малые интервалы времени, измеряемые в микросекундах. Для возбуждения ультразвуковых волн и измерения времени их проождения через бетон применяют специальную аппаратуру, принцип работы которой состоит в том, что электронный генератор высокочастотных импульсов периодически посылает электронные импульсы на излучатель, который преобразует эти импульсы в ультразвуковые механические волны. Из излучателя ультразвуковые волны проходят через исследуемый бетонный элемент и попадают на щуп-приемник. В приемнике ультразвуковые колебания преобразуются в электрические импульсы, направляемые в усилитель. Усиленный импульс попадает на индикатор – электронно-лучевую трубку. Имеющееся в приборе электронное устройство, называемое «ждущей задержанной разверткой», включается одновременно с пуском импульсного генератора. Развертка смещает электронный луч по экрану электронно-лучевой трубки слева на право; при этом в левой части экрана индикатора возникает вертикальная отметка, соответствующая моменту посылки импульсов, а в правой – изображение прошедших через бетон ультразвуковых импульсов. Электронный генератор создает на экране индикатора электронную шкалу меток времени в виде вертикальных отметок с интервалами, по числу которых определяется время прохождения ультразвукового импульса через бетон. В приборах последних моделей амплитуду временного интервала между зондирующим и прошедшим через бетон импульсами измеряют малогабаритным цифровым вольтметром. Прибор выполнен на полупроводниковых элементах и интегральных микросхемах. Контроль метрологических характеристик ультразвуковых приборов – определение основной и дополнительных погрешностей, измерение времени прохождения ультразвуковых колебаний следует проводить согласно действующим рекомендациям, выпускаемым заводами-изготовителями вместе с приборами. Применяют различные методики для определения прочности бетона, например, ультразвуковой метод по ГОСТ 17624-78, который наиболее предпочтителен для тяжелых, легких, ячеистых и плотных силикатных бетонов, а также методику ВНИИФТРИ-МИСИ-ВЗПИ. Однако независимо от метода испытаний всегда необходимо соблюдать следующие общие положения, принятые при построении зависимости «v - Rсж». Поверхность бетона, на которой устанавливают щупы (ультразвуковые преобразователи), не должна иметь наплывов и вмятин, а также раковин и воздушных пор глубиной более 3 мм и диаметром более 6 мм. С поверхности должны быть удалены декоративное покрытие или облицовочный материал. Для обеспечения надежного акустического контакта между бетоном и рабочей повер­хностью щупов применяют вязкие контактные среды (смазки) или эластичные прокладки. При испытаниях конструкций и образцов, применяемых для построения зависимости «v - Rсж», должна использоваться одинаковая контактная смазка. Измерение базы прозвучивания проводят с погрешностью не более ±0,5%. При испытании кубов прозвучивание ведут в направлении, пер­пендикулярном направлению укладки бетонной смеси в форму. Определение производится в кубах на трех уровнях по высоте, при этом разброс не должен превышать 5%.

Вопрос №20

Метод основан на использовании γ-лучей, источником которых являются радиоактивные изотопы. Метод эффективен при инженерно-геологических изысканиях, а также определении объемной массы тяжелых, легких и ячеистых бетонов. Большой опыт применения радиационного метода испытаний накоплен во Владимирском филиале Московского института изысканий.

Радиодефектоскопия основана на проникающих свойствах волн сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Этим методом обнаруживаются поверхностные дефекты, состоящие неметаллических материалов. От генератора, работающего в непрерывном или импульсном режиме, радиоволны проникают в конструкцию и с помощью усилителя регистрируются приемным устройством. Радиоволновым методом возможно определить влажность материала. Для диагностики состояния конструкций зданий или сооружений используют инфракрасные излучения.

Электрические методы измерения неэлектрических величин широко распространены при контроле и определении физико-механических характеристик строительных материалов, изделий и конструкций. По замеренному электрическому сопротивлению можно, судить о влажности древесины в конструкциях. Электрический метод используют также для определения влажности песка. Однако более точными являются методы определения влажности, основанные на термоэлектрических и диэлектрических эффектах. Термоэлектрический метод основан на функциональной связи теплопроводности песка с его влажностью, диэлектрический метод— на измерении электроемкости конденсатора, между пластинками которого помешается проба песка различной влажности. Электрический метод часто используют для определения содержания воды в бетонной смеси.