Главная » Литература » Нагрузки и воздействия » Гордеев - Нагрузки и воздействия на здания и сооружения
Гордеев - Нагрузки и воздействия на здания и сооружения
В книге коллектива украинских авторов впервые сделана попытка комплексного освещения вопроса о нагрузках и воздействиях, которые учитываются при проектировании зданий и сооружений. Описаны основные виды нагрузок и воздействий, включая и особые нагружения аварийного типа. Для каждой из рассмотренной нагрузок приводится описание его физического происхождения, и даются основные сведения о характерных параметрах этих нагрузок. Приводятся и сопоставляются данные из отечественных и зарубежных нормативных документов.
Книга представляет собой справочное пособие для инженерно-технических работников проектных организаций и может быть использована в качестве учебного пособия для студентов» обучающихся строительным специальностям.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Некоторые, хотя и учатся, но не усердно, и потому живут долго. Геннадий, архиепископ Новгородский, из письма митрополиту Симону (около
Результатом этого является слабое знание свойств, методов определения и способов регулирования нагрузок. Единственным источником данных о них являются нормы проектирования, которые в силу своей природы не дают никаких пояснений, но от частого употребления кажутся очевидными. Однако нормативные документы разных стран дают зачастую достаточно различающиеся указания относительно выбора нагрузок, и при работе на экспорт, когда эти указания приходится выполнять, возникает масса новых вопросов, связанных с тем, что «понятные» (точнее — привычные) отечественные нормы не корреспондируют с зарубежными. А сам факт расхождения отечественного и зарубежного подхода вызывает желание исправить «их ошибочную точку зрения>», хотя в основе такого расхождения могут лежать очень убедительные соображения.
Имеются, правда, научные монографии, посвященные тем или иным видам нагрузок, например ветровым (1), однако большинство из них рассчитаны больше на читателя-исследователя, чем на практикующего проектировщика. Кроме того, такого рода книги зачастую требуют специальных знаний, которые отсутствует у специалистов с обычной профессиональной подготовкой инженера-строителя. Достаточно характерным является и представление проблемы нагрузок и воздействий в справочной литературе. Появившийся было в популярном расчетно-теоретическом справочнике проектировщика [2], выпущенном в 1960 году под редакцией проф. А.А. Уманского, раздел «Нормы нагрузок и габариты», исчез из второго издания этого справочника, опубликованного в 1973 году [3]- Больше повезло динамическим нагрузкам, которые достаточно полно представлены в трех томах справочника, вышедшего под редакцией Б.Г. Коренева и И.М. Рабиновича [4. 5) и под редакцией Б.Г. Коренева и А.Ф, Смирнова [6].
Целью настоящей работы является ознакомление инженера-строителя (проектировщика) со свойствами, методами определения и особенностями взаимодействия с конструкцией нагрузок и воздействий различного вида. Книги такого рода нам не известны, и авторам пришлось создавать ее структуру, отбирать необходимый материал и строить изложение, не используя никаких образцов. Такого рода новизна, с одной стороны, давала полную свободу творчества, но, с другой стороны, заставляла все время сомневаться в себе и гадать о возможной реакции читателя. Авторы исходили из того, что понимание физической природы того или иного воздействия на конструкцию дает инженеру-проектировщику инструмент для активного регулирования величин этих воздействий. Кроме того, необходимость выполнения оценки технического состояния существующих конструкций, запроектированных по ранее действовавшим нормам, требует во многих случаях индивидуального подхода к назначению нагрузок и воздействий (например, нормами по проектированию при реконструкции разрешается определять нагрузки по данным местных метеостанций).
При этом мы старались не свести изложение только к комментированию норм проектирования, хотя и посвящаем этой проблеме достаточно много внимания, в том числе и сопоставлению подходов, заложенных в нормативных документов различных стран. Много внимания уделено проекту Государственных строительных норм Украины по нагрузкам и воздействиям, к разработке которого некоторые авторы предлагаемой вашему вниманию книги имели непосредственное отношение. Такого типа «взгляд изнутри» может оказаться полезным тем специалистам, которые столкнутся с необходимостью выполнить аналогичные работы. Итак, на кого же рассчитана предлагаемая вам книга? На прилавках книжных магазинов представлено много книг по компьютерным проблемам с грифом «Для чайников». В Польше они выходят с грифом «Не только для орлов», который представляется нам более приемлемым, поскольку за предупреждением не только для орлов...» угадывается продолжение «... и для них тоже». Такого рода направленность выбрали и авторы этой книги. Авторы не стремились написать учебник, да и не существует в вузовском учебном плане такого предмета как «Нагрузки и воздействия на здания и сооружения» (здесь, возможно, следовало бы сказать — к сожалению). Но мы убеждены, что предлагаемая книга может служить учебным пособием для студентов старших курсов, магистрантов и аспирантов при изучении ими прочностных дисциплин. Возможно, что и преподаватели этих дисциплин найдут для себя в этой книге полезный педагогический материал, который может быть использован как в лекционных курсах, так и на специальных семинарских занятиях.
Мы не будем обсуждать содержание книги по главам, для этого достаточно прочесть ее оглавление. Отметим лишь, что главы 1, 9, 10, 12, 13 и 15 написаны А.В. Передьмутером, главы 4, 5, 8 и 16 — С.Ф. Пичугиным, глава 17 — А.И- Лантухом-Лященко, глава 14 — В,И. Гордеевым, им же совместно с А.В< Перельмутером написаны главы 3 и 18, В.А. Пашинский с А.В. Перельмутером написали главы 2 и 6, А.В. Перельмутер с С.Ф. Пичугиным — главы 7 и 11. Коллектив авторов не имел возможности и желания полностью унифицировать стиль изложения отдельных разделов, поскольку многое из сказанного лежит в области их личных научных интересов, и не было никакого смысла скрывать свои пристрастия к той или иной стороне освещаемой проблемы (методологической, фактологической или прикладной) путем нивелирования стиля изложения. Это сказалось на расстановке акцентов, но (мы надеемся) ни в коем случае не на объективности оценок и суждений.
Во время работы над книгой авторский коллектив все время испытывал стимулирующее влияние компании SCAD Soft, которая хотела бы видеть в предлагаемой вниманию читателя книге неформальную компоненту эксплуатационной документации к программно-вычислительной системе SCAD Office, Мы все искренне признательны за эту поддержку.
1. НАГРУЗКИ КАК ЭЛЕМЕНТ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ
1.1. Место нагрузок и воздействий в расчетах конструкций
При построении расчетной модели одной из наиболее ответственных процедур является идеализация нагрузок, действующих на конструкцию в различных режимах работы. Вообще, нагрузки являются одним из наименее изученных компонентов системы, они имеют большую изменчивость во времени и пространстве, и те расчетные модели, которыми оперирует проектная практика, достаточно условны. Некоторые из моделей нагружения, которые традиционно используются при составлении расчетных моделей (равномерно распределенная нагрузка, сосредоточенная сила, импульсивное воздействие, гармоническая осцилляция) являются сильными физическими абстракциями, о чем надо хорошо помнить при анализе результатов расчета. Особенно много ошибок в процессе идеализации нагрузок совершается в части описания их поведения во времени, что приводит к недостоверной картине динамического поведения системы. Именно в динамике наиболее ярко проявляется обратная связь между нагрузкой и сооружением, когда его поведение меняет сам характер динамически приложенных нагрузок (флаттер, галопирование, взаимовлияние различных форм колебаний и др.). Понятие нагрузки является удобным способом описания взаимодействия конструкции с окружающей средой, но это не единственная форма такого взаимодействия. Часто необходимо описать не силовое, а кинематическое взаимодействие, когда некоторые устройства, внешние по отношению к рассчитываемой системе, стесняют перемещения или повороты отдельных точек или навязывают ей свои перемещения. Такие условия, называемые связями, почти всегда присутствуют в расчетной модели. Заметим попутно, что заданное перемещение какой-либо точки всегда реализуется в виде смещения связи, а обычная связь-опора является частным случаем такого кинематического воздействия, когда упомянутое заданное перемещение имеет нулевое значение. Конечно, бесконечно жесткая связь, абсолютно точно навязывающая системе определенное (возможно, нулевое) значение перемещения, является идеализацией; в действительности взаимодействие с окружающей средой реализуется через некоторые устройства, имеющие, возможно, очень большую, но не бесконечно большую жесткость.
Вообще, следовало бы говорить не столько о нагрузках, сколько о воздействиях на сооружение. В первом приближении воздействия можно разделить на внешние и внутренние — с одной стороны, а с другой стороны — на силовые и кинематические, что и отражено в приводимой ниже табл. 1.1.
Но и эта классификация условна и неполна, так как не отражает таких, например, специфических условий взаимодействия с окружающей средой, как коррозия, химическое взаимодействие, выкрашивание, изменение схемы сооружения в результате разрывов связей (в том числе и по злому умыслу) и т.п. Принятый в настоящее время практически повсеместно метод расчета по предельным состояниям оперирует понятиями нормативной и расчетной нагрузки. Нормативным считается значение нагрузки, определяемое нормами проектирования, оно в какой-то мере соответствует наибольшему значению нагрузки, которое может быть допущено при нормальной эксплуатации сооружения. Эта фраза является достаточно расплывчатой: не понятно, что является режимом нормальной эксплуатации и что означает слово «наибольшая», эта неопределенность приводит к тому, что нагрузки разной природы имеют различную вероятность проявления и не выполняется естественное требование проектирования об обеспечении равной надежности одинаковым объектам, подверженным действию различных нагрузок. Отклонения от нормативного значения, связанные со статистической изменчивостью нагрузок, учитываются введением коэффициента надежности по нагрузке после умножения нормативного значения нагрузки, на который мы приходим к расчетному значению нагрузки. Нормы [17] определяют, что проверка 1-го предельного состояния реализуется при расчетных значениях нагрузок, а проверка 2-го предельного состояния — при нормативных значениях. Нагрузки и воздействия по своему происхождению имеют самую разнообразную природу, и форма их проявления часто бывает весьма специфичной. Однако, при всем разнообразии, имеются некоторые общие моменты, которые позволяют говорить об анализе нагрузок и воздействий как о неком едином целом. В основе такого анализа лежит теория надежности, а также методы статики и динамики строительных конструкций. С использованием именно этих научных дисциплин решаются вопросы выбора расчетных значений нагрузок и воздействий, их моделирования в расчетах строительных конструкций, определения реакции сооружения на внешние воздействия и оценки взаимодействия конструкции с нагрузкой. Некоторые из упомянутых задач являются специфичными для разных нагрузок и воздействий, но имеются проблемы, почти не связанные с природой возникновения или характером действия нагрузки того или иного вида. Освещению таких проблем посвящен настоящий раздел.
1.2. Нагрузки как форма взаимодействия с внешней средой
Любая конструкция окружена внешней средой и взаимодействует с ней. Хотелось бы сразу указать на понятие взаимодействие, которое указывает не только на то, что внешняя среда влияет на конструкцию, но и на то, что конструкция может влиять на окружающую среду. Рассчитываемая конструкция всегда является частью более общей системы и, выделяя конструкцию из окружающей среды, мы либо идеализируем ее влияние в форме абсолютного запрета на некоторые виды перемещений (присоединение системы к «земле»), либо описываем это влияние в форме внешней нагрузки на систему. Но при использовании такого подхода очень важно понять, не влияет ли деформация системы на нагрузку. Иными словами, рассматриваемая конструкция должна быть в некотором смысле несопоставимой по жесткости или другим параметрам с отброшенным окружением. Лишь тогда можно уверенно предполагать, что нагрузку можно рассматривать как не зависящую от деформаций системы. Типичным примером является нагрузка от собственного веса, которая определяется взаимным тяготением массы Земли и массы конструкции, но деформации настолько мало меняют расстояние между центрами этих масс, что ими можно пренебречь. То, что таким образом можно поступать далеко не всегда будет неоднократно проиллюстрировано ниже.
К числу характерных примеров взаимодействия нагрузки с конструкцией относятся многие режимы динамического нагружения. Сооружение является некоторым фильтром, отбирающим из действующих на него возмущений определенную часть. Это обстоятельство хорошо исследовано, частотная картина нагружения является неотъемлемой частью описания динамической нагрузки, и анализ собственных частот и форм колебаний лежит в основе подавляющего числа динамических расчетов, В меньшей степени известно, что фильтрация может происходить не только по частоте воздействия (резонансные явления), но и по длине волны. Так, сейсмические воздействия на объект с малыми размерами в плане (дымовая труба, башня и т.п.) и на сооружение большой протяженности, расположенное на общей фундаментной плите (корпус элеватора, атомная электростанция), оказываются существенно разными. Если в первом случае сооружение будет реагировать на волны всех длин, лишь бы частотная картина воздействия была такой, что она попадает в зону чувствительности, определяемую спектром собственных частот, то во втором случае сооружение будет реагировать аналогичным образом только на волны, длина которых примерно вдвое превышает размер фундамента в плане. Эти волны действуют практически синфазно на протяжении всего сооружения, в то время как воздействие более коротких волн может оказаться в противофазе. Аналогичные эффекты следует учитывать при расчете гидротехнических объектов. Так, для конструкций морских глубоководных оснований удается заметно снизить общий уровень загруженности, если их генеральные размеры подобраны так, что на противоположных сторонах сооружения волновая нагрузка действует в противофазе.
Еще одним примером взаимодействия нагрузки с сооружением является аэродинамическое нагружение. Его величина существенно зависит от формы конструкции, обтекаемой ветровым потоком, и, если деформации конструкции эту форму заметно меняют, как это случается, например, в висячих системах, то меняются и действующие нагрузки.
Аналогичная положительная обратная связь возникает при учете нагрузки от собственного веса, а также в случаях нагружения гибких конструкций весом слоя жидкости (рис. 1.1). Прогибы конструкции увеличивают толщину слоя жидкости в середине пролета, что заметно меняет картину нагружения. Действие веса жидкости на гибкую конструкцию Нормы предусматривают расчет горизонтального кровельного перекрытия на нагрузку от такого скопления воды, чтобы более точно определить необходимую жесткость конструкции. Это нагружение возникает при интенсивном таянии снега или вследствие проливных дождей, когда норма осадков превосходит возможность отвода воды.
Стандартными вариантами идеализации взаимодействия с внешней средой являются либо задание некоторых перемещений точек системы (чаще всего нулевых) — и тогда мы накладываем соответствующую связь, либо задание некоторого нагружения силового характера.
Рассматривая различия между силовым и деформационным нагружением, В.И. Феодосьев [24] приводит пример характерной ошибки, когда на опорное кольцо резервуара (рис. 1.2, а) передают нагрузку по силовой схеме, где общий вес равномерно распределен по длине опорного кольца. Однако кольцо не может рассматриваться как самостоятельно нагруженная силами система, поскольку оно прогибается ровно настолько, насколько позволяет ему деформироваться стенка бака. Кольцо находится практически в условиях деформационного нагружения, а еще лучше сказать — кинематического воздействия.
Разница между силовым и деформационным нагружением особенно резко сказывается при анализе тех последствий, к которым приводит их изменение. В упругой системе эта разница практически не проявляется, но дело существенно меняется при рассмотрении систем неупругих. На это обстоятельство не очень часто обращают необходимое внимание, проектная практика настолько глубоко привязана к оценке напряжений, что об их неравноправности с деформациями в тех случаях, когда несправедлив закон Гука, забывают.
В упомянутой книге В.И. Феодосьева очень четко поставлен вопрос о том, является ли вычисленный по напряжениям коэффициент запаса достаточной характеристикой надежности. Отвечая на него отрицательно, автор рассматривает два способа создания напряжений в стержне: приложением некоторой нагрузки Р, вызывающей в сечении стержня напряжение а, и принудительным деформированием, создающим такую деформацию, что ей соответствует такое же напряжение а {рис. 1.3), В первом случае увеличение напряжения в 1,5 раза приведет к разрыву стержня, во втором (увеличение деформации в те же 1,5 раза) — лишь к росту остаточных деформаций. Особенно сильно сказывается различие между силовым и деформационным нагружением при рассмотрении вопроса о влиянии точности задания воздействия на результаты расчета. Так, в простейшем случае изгиба балки, который сводится к решению дифференциального уравнения можно рассмотреть два случая:
• нагрузка — причина изгиба, а прогиб — следствие;
• прогиб является причиной (изгиб по лекалу), а нагрузка (реакция) — следствием.
Если предполагать абсолютную точность заданные исходных данных и способа решения задачи, то формального различия между указанными случаями нет. Но в действительности это различие очень велико, поскольку малые изменения нагрузки приводят к малым изменениям прогибов, а если неточно задана форма лекала, то разброс в полученных значениях нагрузки может быть очень большим (мы практически не умеем находить даже первую производную от неточно заданной функции). По сути, здесь нет ничего нового, чем другое прочтение закона Гука: если в упругой системе большие силы приводят к малым деформациям, то ее малые деформации могут быть связаны с большими усилиями. Однако традиции инженерного образования не фиксируют внимание на рассмотрении закона упругости в такой форме.
...