Симоненко Геннадий Иванович, начальник отдела экспертизы зданий и сооружений ООО «Ресурс»
Определение основных типов нагрузки влияющих на эксплуатационные качества зданий в металлургии
В работе описаны основные нагрузки, оказывающие негативное влияние на эксплуатационные качества зданий в металлургии, даны формулы по расчету коэффициента нагрузок.
Все нагрузки, которые принимают во внимание при расчетах конструкции, выступают случайными функциями во времени или такими же случайными величинами. Это, в числе прочего, означает, что мы не можем сказать точный коэффициент нагрузки, реализуемый на практике, просто применяем имеющиеся величины, которые могут быть реализованы только с какой-то долей вероятности. Такие свойства у нагрузки как функция пространственной координаты или времени, определяются после обработки имеющихся на руках статистических данных измерений выборочного значения функции.
Основные виды реализации измеренных значений могут представляться в виде:
• дифференцируемых случайных функций;
• недифференцируемых функций ступенчато-импульсного типа, в том числе и с мгновенными импульсами.
Обеспеченность случайной величины является важным понятием для случайных факторов. Это понятие используется при составлении вероятностного обоснования и хорошо отражено в ГОСТ 27751-88.
Если рассматривают процессы имеющие случайную природу и протекающие в окружающей среде, как к примеру, ветер, повышение температуры, выпадение осадков или в самой рассматриваемой конструкции, коррозия, эррозия, то стоит принимать во внимание то, что вероятность возникновения какой-то ситуации в течение отрезка времени связана со сроком эксплуатации этого самого объекта.
Вероятность непревышения опасного уровня оказывается различной, если рассматривать короткие или длинные интервалы времени, подобно тому, как различаются вероятности встретить автомобиль определенного (например, желтого) цвета при проезде одного квартала и при пересечении мегаполиса.
Если провести аналогию с человеческой жизнью, то первый тип случайностей ближе к вероятности гибели человека во время рождения, а второй на протяжении всей оставшейся его жизни от несчастного случая или по другой причине.
Заметим, что нормативные значения случайных природных воздействий (ветер, снег, температура, сейсмика) часто назначаются как величины, превышаемые в среднем один раз в Те лет. Тогда вероятность появления за один произвольно взятый год воздействия со средним сроком повторяемости Те лет составляет 1/ Те, а вероятность того, что такое воздействие Fe ни разу не возникнет за срок эксплуатации Т лет, может быть вычислена по формуле, если считать случайные годовые максимумы статистически независимыми:
Р=(1-1/Тс)Т
Эта вероятность не так уже и велика даже при значительных Те, что видно из следующей таблицы. Например, вероятность того, что за 50 лет эксплуатации фактическая скорость ветра превысит максимальное годовое значение, встречающееся в среднем один раз в 50 лет, весьма велика и равна 0,64.
Нагрузки на здания и сооружения, которые в настоящее время используются проектировщиками, интерпретируются в рамках метода предельных состояний. Метод расчетных предельных состояний был введен в СССР в качестве руководящего принцила расчетов строительных конструкций с 1 января 1955 года при утверждении первого издания Строительных норм и правил. Рассмотрение только предельных состояний конструкции приводит к тому, что в подавляющем большинстве случаев рассматривается только экстремальная нагрузка, а закономерности ее поведения на более низкихуровнях интенсивности останутся неизвестными. Это обстоятельство почти не ощущается при использовании линейных расчетных моделей, где экстремальная напряженность соответствует крайним значениям нагрузки (или ее отсутстви), но оно может сказаться в случае нелинейной системы, где экстремальные состояния могут быть реализованы и при частичной интенсивности нагружения.
Характерные подходы к установлению нормативных и расчетных нагрузок в СНиП 2.0 1 .07-85 показаны в следующей таблице.
По рассматриваемой природе нагрузок, воздействию и их происхождению они могут подразделяться на:
• те, которые появляются от веса ограждающей и несущей конструкции, их значение устанавливают с учетом геометрических параметров и коэффициентов плотности материалов, используемых в конструкции;
• те, которые образуются в результате атмосферного влияния, а именно, гололедная, ветровая, волновая, снеговая и другие нагрузки, у которых значения взаимосвязаны с периодами повторяемости;
• те, которые возникают в результате технологического процесса от людей, веса оборудования, его воздействия, для таких нагрузок значения стоит принимать по паспорту к используемому оборудованию, но при этом нельзя не учитывать прогнозируемую величину, предусмотренную условиями эксплуатации;
• те, которые возникают от смещения земной поверхности, то есть от землетрясений, просадки грунта, после горных выработок, под воздействием карстовых процессов и так далее, для них значения регламентированы нормативной действующей базой;
• те, которые были вызваны под воздействием черезвычайной ситуации, к примеру, взрывом, столкновением с транспортом, пожаром и так далее.
Если принимать в расчет причины возникновения нагрузок и воздействие, то они могут быть следующих видов:
• основные, появляющиеся неизбежно от влияния природных явлений или деятельности человека, избежать таких нагрузок не удастся;
• аварийные, возникающие в результате негативной или нежелательной человеческой деятельности как следствие наигрубейших ошибок, или в результате неблагоприятных обстоятельств, в том числе и природных явлений в виде смерча, цунами и так далее.
Помимо этих классификаций нагрузки могут быть переменными и постоянными. Переменные в свою очередь, в силу продолжительности непрерывного воздействия имеют дополнительную классификацию:
• длительные, для которых продолжительность Td сопоставима с установленным сроком эксплуатации Tcf,
• кратковременные, для которых Td << Tef.
Кратковременные нагрузки, в свою очередь, могут быть многократно повторяющимися или эпизодическими.
В расчетные сочетания должны включаться такие воздействия, которые оказывают наиболее неблагаприятное влияние на конструкции с точки зрения рассматриваемого предельного состояния. В расчетах конструкций могут быть использованы сочетания воздействий двух типов:
• основные, применяемые при проверке надежности в установившихся и переходных расчетных ситуациях;
• аварийные, применяемые при проверке надежности в аварийных расчетных ситуациях.
Поиижеиная вероятность одновременного действия нескольких случайных воздействий, как правило, учитывается путем умножения суммы нагрузочных эффектов от действия расчетных значений всех воздействий на коэффициент сочетания ЧJ < 1. Коэффициент сочетания определяется из условия равнообеспеченности суммарного нагрузочного эффекта и расчетных значений отдельных воздействий и зависит от вида учитываемых воздействий и их долей в составе суммарного нагрузочного эффекта. При этом в отечественных нормах используется совместный коэффициент сочетаний и суммарное расчетное усилие или перемещение определяется нагрузкой S”‘ , вычисляемой по формуле:
Sψ=ψƩSi
Нагрузки от веса конструкций и грунтов являются постоянными, и их определение представляется достаточно простым. СНиП 2.0 1 .07-85 требует, чтобы нормативное значение веса конструкций заводского изготовления определялось на основании стандартов, рабочих чертежей или паспортных данных заводов-изготовителей, а других строительных конструкций и грунтов – по проектным размерам и удельному весу материалов и грунтов с учетом их влажности в условиях возведения и эксплуатации сооружений.
Коэффициенты надежности по нагрузке у1 дпя веса строительных конструкций и грунтов в соответствии со СНиП 2.0 1 .07-85.
Изменчивость нагрузки от собственного веса конструкций обусловлена не только отклонением фактических размеров конструктивных элементов от номинальных значений, но и изменчивостью плотности строительных материалов, их влажности и другими факторами.
Снежный покров, выпадающий за зимний период, имеет в своем составе осадки, ледяную корку и воду, которая начинает образовываться на время оттаивания. В зависимости от того, о каком регионе страны идет речь, толщина и плотность снежного покрова могут отличаться из-за разности в климатических условиях. На единице площади масса покрова будет находиться произведением лотности на толщину снежного покрова, именно эта величина и будет снеговой нагрузкой на поверхность.
С учетом того, что плотность воды равна единице, эта величина численно равняется эквивалентной толщине слоя талой воды. В метеорологии принято выражать ее в миллиметрах и называть запасом воды в снежном покрове.
Для описания случайного процесса изменения снеговой нагрузки на поверхности земли достаточно задать функцию математического ожидания (возможно, в виде алгебраического полинома третьей степени), а также постоянные во времени значения коэффициента вариации, коэффициента асимметрии и эффективной частоты. Распределение ординаты описывается полиномо-экспоненциальным законом с плотностью.
f(x) = exp(a0+a1x+a2x2+a3x3)
а0, ••• , а3 – переменные во времени параметры, определенные по значениям математического ожидания, стандарта и коэффициента асимметрии в соответствующий момент времени. Рассмотрим четыре основных фактора, определяющие величину снеговой нагрузки на покрытиях зданий:
• количество выпадающих в зимнее время твердых осадков;
• ссыпание снега с наклонных поверхностей;
• таяние снега на тепловыделяющих покрытиях отапливаемых зданий;
• перенос снега, приводящий к неравномерным отложениям по поверхности покрытия и к сносу некоторой части выпавшего снега с покрытия.
При этом наибольшая величина снеговой нагрузки smax = р h
где h – величина перепада высот либо высота препятствия, создающего снеговой мешок, в метрах;
р – плотность снега, которую в зависимости от его влажности и степени уплотнения можно принимать равной 2 .. . 3 кН/м3.
Ветровая нагрузка в соответствии со СНиП 2.0 1.07-85 относится к кратковременным нагрузкам, не имеющим понижениого нормативного значения.
Для некоторых типов сооружений (например, зданий АЭС) для ветровой нагрузки рассматривается экстремальное (особое) значение.
Проблема исследования ветровой нагрузки и расчета сооружений на ветровые воздействия распадается на три крупные подзадачи:
• изучение ветрового режима местности, основанное на использовании результатов метеорологических и климатологических исследований;
• оценка сил, вызываемых воздействием ветра на сооружение, которые изучаются на основе решений задач теоретической аэродинамики и данных экспериментальных исследований;
• определение реакции сооружения на ветровую нагрузку, основанное, как правило, на решении задач статики и динамики сооружений.
Для рассмотрения основных закономерностей аэродинамического действия ветрового потока на препятствие рассмотрим поведение потока в некоторой струйке и запишем для нее уравнение Бернулли:
pV02/2+p0= pV12/2+p1
где V0 и V1 -скорость струи в сечениях 00 и 11 , р1 -давления в тех же сечениях, р – плотность воздуха.
По СНиП 2.0 1 .07-85 значение статической составляющей ветровой нагрузки Wm на высоте z над поверхностью земли определяют по формуле^
wm = w0kC
где w0 – значение ветрового давления (скоростного напора), определяемое для скорости ветра на уровне 1 О м над поверхностью земли, соответствующей 1 О-минутному интервалу осреднения и превышаемой в среднемраз в 5 лет;
k – коэффициент, учитывающий изменение ·ветрового давления по высоте;
С-аэродинамический коэффициент.
Список литературы:
