Статическая нагрузка в строительстве¶
Статическая нагрузка — это сила или система сил, приложенные к строительной конструкции (мосту, зданию, машине, сооружению), которые не изменяются по величине, направлению и точке приложения в течение рассматриваемого периода времени либо изменяются настолько медленно, что их можно считать постоянными. Статические нагрузки относятся к основным видам внешних воздействий, учитываемых при расчёте несущей способности конструкций, и противопоставляются динамическим (временным) нагрузкам, которые быстро меняются во времени.
¶Общие сведения
Статическая нагрузка характеризуется тем, что вызываемое ею напряжение и деформация в элементах конструкции не зависят от времени. Если нагрузку приложить достаточно медленно, то инерционные силы, пропорциональные ускорению, пренебрежимо малы, и конструкция в каждый момент времени находится в состоянии равновесия под действием внешних сил.
В строительной механике нагрузки принято разделять на постоянные и временные. Постоянные нагрузки — это собственный вес конструкций, давление грунта, предварительное напряжение арматуры. Временные нагрузки делятся на длительные (например, эксплуатационные) и кратковременные (ветровые, снеговые, температурные). Все они, если не учитываются их динамические эффекты, рассматриваются как статические.
¶Классификация
По характеру воздействия на конструкцию статические нагрузки подразделяются на несколько типов:
- Собственный вес — сила тяжести самой конструкции и всех её элементов. Рассчитывается как произведение объёма материала на плотность и ускорение свободного падения.
- Постоянная нагрузка от надстройки — вес отделочных слоёв, кровельных покрытий, оборудования, постоянно установленного на конструкции.
- Снеговая нагрузка — вес снегового покрова на горизонтальных и наклонных поверхностях. В России нормируется СП 20.13330 «Нагрузки и воздействия» в зависимости от района строительства.
- Ветровая нагрузка — давление ветра на ограждающие конструкции и фасады. При статическом расчёте принимается как постоянное давление по нормативным картам ветровых районов.
- Эксплуатационная нагрузка — вес людей, мебели, транспорта, складируемых материалов. Для жилых зданий нормируется в расчёте на квадратный метр площади.
- Температурные воздействия — силы, возникающие в конструкции при изменении температуры, если деформации ограничены опорами или связями.
¶Методы расчёта
При статическом расчёте конструкция рассматривается как система тел в равновесии. Основные методы:
- Аналитические методы — решение уравнений равновесия для балок, ферм, рам, арок. Для простых схем применяются формулы из сопротивления материалов (формулы Эйлера, Журавского и др.).
- Метод конечных элементов (МКЭ) — численное решение, при котором конструкция разбивается на конечное число элементов, и для каждого решается система алгебраических уравнений. В России широко используются пакеты «Лира», «SCAD», «АРК», «Строительная механика».
- Графические методы — построение эпюр изгибающих моментов, поперечных сил, продольных усилий.
Результатом расчёта являются внутренние усилия (силы и моменты), напряжения и перемещения, которые сравниваются с допустимыми значениями по нормам проектирования.
¶Отличие от динамических нагрузок
Главное отличие статической нагрузки от динамической — скорость изменения. Динамические нагрузки (удары, толчки, вибрация, сейсмические воздействия, движущиеся транспортные средства) вызывают инерционные силы, которые могут многократно превышать статическое значение. Коэффициент динамичности показывает, во сколько раз динамическое воздействие эквивалентно статическому.
В ряде случаев нагрузка, физически являющаяся переменной, при расчёте заменяется эквивалентной статической. Например, при подъёме груза краном вес груза учитывается с коэффициентом динамичности, а затем расчёт ведётся статическим методом.
¶Нормативная база в России
Основные документы, регламентирующие расчёт статических нагрузок:
- СП 20.13330 — «Нагрузки и воздействия» (актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85).
- СП 16.13330 — «Стальные конструкции».
- СП 52.13330 — «Бетонные и железобетонные конструкции».
- СП 15.13330 — «Каменные и армокаменные конструкции».
- ГОСТ 28514-90 — «Нагрузки и воздействия. Термины и определения».
Нормативные значения нагрузок задаются с коэффициентами надёжности, а расчётные значения умножаются на коэффициенты сочетания.
¶Применение
Статический расчёт нагрузок выполняется на всех стадиях проектирования — от предпроектных оценок до рабочей документации. Он необходим для подбора сечений элементов, определения армирования, выбора марок материалов, расчёта фундаментов. От корректного учёта статических нагрузок зависит несущая способность и долговечность сооружения.
Источники:
- СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия»
- ГОСТ 28514-90 «Нагрузки и воздействия. Термины и определения»
- Балашов Л. К. «Строительная механика»
- Горошков В. Е., Писаренко Г. С. «Сопротивление материалов»
- СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия»