Нагрузки и воздействия на здания и сооружения

   Нагрузки и воздействия на здания и сооружения можно разделить на две основные группы в зависимо­сти от их происхождения: природные и искусственные. По продолжительности действия нагрузки и воздействия подразделяют на постоянные и временные. Временные нагрузки делят на длительные, кратковременные и осо­бые. Постоянные нагрузки могут быть природными — собственный вес несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений, масса и давление грунта — или иметь искусственное происхождение — воздействие на конструкции усилий предварительного напряжения. Природные постоянные нагрузки являются в определен­ном смысле балластом для здания или сооружения, по­этому уменьшить их — важная задача проектировщиков.

   К временным длительным нагрузкам относят: вес временных перегородок, стационарного оборудования (станков, аппаратов, двигателей, емкостей, трубопрово­дов, конвейеров, подъемных машин), а также вес жид­костей и твердых тел, заполняющих оборудование в про­цессе его эксплуатации; нагрузку на перекрытия в складских помещениях, холодильниках, зернохранили­щах, архивах, библиотеках и подобных зданиях и поме­щениях; нагрузку на перекрытия в помещениях жилых и общественных зданий, где преобладает вес оборудо­вания (технические этажи, помещения вычислительных центров и т. п.); температурные технологические воздей­ствия от стационарного оборудования; воздействия не­равномерных деформаций основания; воздействия усад­ки и ползучести; вес снегового покрова с особенностями, отраженными в СНиП 2.01.07—85, и др. К кратковре­менным нагрузкам относят: вес людей, ремонтных мате­риалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования; нагрузки от подвижного подъемно-транспортного обо­рудования (мостовых и подвесных кранов, погрузчи­ков и т. п.), используемого при возведении и эксплуата­ции зданий и сооружений; полную снеговую нагрузку; ветровые нагрузки; гололед; полные климатические тем­пературные воздействия и др.

   Особыми нагрузками являются: сейсмические и взрывные воздействия; нагрузки, вызываемые резкими нарушениями технологических процессов, поломкой или временной неисправностью оборудования; воздействия неравномерных деформаций оснований, сопровождаю­щиеся изменениями структуры грунта (например, де­формации просадочных грунтов при замачивании или вечномерзлых грунтов при оттаивании), воздействия де­формации земной поверхности в районах горных выра­боток и в карстовых районах.

   Существенно влияют на работу конструкций снего­вые нагрузки. Величина снегового покрова зависит от района строительства и от характера кровли. В слож­ных по форме кровлях в пазах скапливаются «снеговые мешки», приводящие к неравномерному нагружению конструкций. Кроме того, долго лежащие «снеговые мешки» уплотняются, что также увеличивает нагрузку от снега. В РФ снеговые нагрузки регламентированы нормами СНиП 2.01.01—85. Вес снегового покрова в ма­лоизученных и горных районах, в местах со сложным рельефом нужно устанавливать на основании данных гидрометеорологической службы. Перечень этих райо­нов приводится в нормах. Именно поэтому в России распространена очистка крыши от снега.

   Иногда источниками аварий зданий служат ветровые нагрузки инженерных сооруже­ний и коммуникаций. Особенность ветровых нагрузок их горизонтальная направленность. Переход к новым более прочным материалам привел к уменьшению мас­сы зданий и сооружений, а это выдвинуло на передний план проблему воспринятия ветровых нагрузок. Особен­но опасны ветровые воздействия на высотные здания, башни, мачты. Чем выше они над уровнем земли, тем больше скорости ветра.

   Здания и сооружения представляют собой тела сложной геометрической формы и поэтому вызывают ряд аэродинамических эффектов. Так, здание в виде параллелепипеда воздушный поток обтекает с пяти сторон. Около 80 % напора ветра приходится на лобовую, наветренную сторону и 60 % нагрузки испы­тывает противоположная и подветренная сторона в виде так называемого отсоса. При двускатной кровле навет­ренный скат испытывает значительный ветровой напор, а подветренный — отсос, возникающий в силу разреже­ния, поэтому подветренный скат кровли стремится как бы взлететь (рис. 2.2). У легких кровельных конструкций крыша может оказаться в положении подъемого крыла — благодаря ее форме возникает подъемная сила, иногда превышающая ее вес.

   Сейсмические нагрузки вызываются колебаниями земной коры в результате землетрясений. Упругие колебания земной коры, распространяющиеся от источника землетрясения, передаются на фундаменты и несущие конструкции. Сейсмические нагрузки вызывают массу повреждений в конструкциях и их разрушение. В связи с этим в районах, подверженных землетрясениям, необ­ходимо применять специальные меры, повышающие устойчивость фундаментов и каркасов несущих конструк­ций от сейсмических воздействий. Общее число землет­рясений огромно (до 100 тыс. в год), однако разруши­тельные составляют не более 0,1%. Степень интенсив­ности землетрясений зависит от величины ускорения колебательного движения, которое называется сейсми­ческим ускорением и оценивается в баллах от 1 до 12 (таблица).

   Существует карта сейсмического районирования тер­ритории нашей страны. Например, Ашхабад, Алма-Ата характеризуются сейсмичностью в 9 баллов, а Са­марканд и Севастополь — в 7 баллов. Сейсмические си­лы инерционны. Они обусловлены весом колеблющегося здания и ускорением отдельных его частей. Уменьшени­ем веса здания можно уменьшить сейсмические нагруз­ки. Поэтому стремятся облегчить массу конструкций в сейсмоактивных районах, применяя более легкие строи­тельные материалы.

   Направления действия сейсмических сил произволь­ны, однако здания и сооружения имеют достаточный ре­зерв устойчивости по отношению к вертикальным на­грузкам, поэтому расчет на сейсмику учитывает лишь горизонтальные нагрузки, возникающие при землетря­сении. Строительные конструкции предназначены, как правило, для восприятия вертикальных нагрузок (соб­ственного веса, веса людей, оборудования, снега и в этом отношении обладают известными резервами, т. е. могут выдерживать определенные толчки. Горизонталь­ная их устойчивость зачастую недостаточна. Расчетным будет такой момент, когда сейсмические силы достига­ют своего экстремального значения. Далее полученные силы выступают как статическая нагрузка, при этом динамичность явления учтена при определении самих сейсмических сил. При расчетах исходят из предполо­жения, что массы зданий и сооружений сконцентрирова­ны в определенных точках. При этом конструктивная схема сооружения часто бывает внешне очень не похо­жа на расчетную, однако динамические характеристики, распределение масс и жесткостей хорошо соотносятся между собой.

   Температурные воздействия в некоторых случаях представляют собой весьма значительные нагрузки. Они возникают вследствие ограниченной свободной темпера­турной деформации строительных конструкций — балок, колони, рам, т. е. взаимосвязанных элементов зданий и сооружений. Из-за существенных колебаний темпера­тур конструкции стремятся к удлинению. Невозмож­ность свободного удлинения конструкций приводит к возникновению в них сжимающих напряжений. И, на­оборот, при понижении температуры элементы стремят­ся укоротиться, но так как не имеют такой возможнос­ти» в них возникают растягивающие напряжения. В строительной практике наблюдались повреждения строительных конструкций из-за температурных воздей­ствии. В частности, в стальных каркасах обнаруживали разрывы креплений в вертикальных связях между ко­лоннами. Следует принимать специальные меры, чтобы температурные воздействия проявляли себя как можно слабее. Проще всего это сделать, обеспечив конструкциям возможность свободно удлиняться и укорачиваться.

   Мостовые балки, например, устанавливают на специальные опоры — катки, которые обеспечивают их подвиж­ность. Здания «рассекаются» деформационными швами ширина которых (обычно около 2 см), как правило, достаточна для температурного расширения отдельных блоков. Опасно и неравномерное температурное воздейст­вие. Так, при проектировании мостов иногда учитыва­ется дополнительная нагрузка, обусловленная разностью температур между нижней (теневой) и верхней (нагре­ваемой солнцем) поверхностями пролетного строения.