Нагрузка от собственного веса конструкций и грунта.

Характеристическое значение собственного веса конструкций заводского изготовления следует определять на основании каталогов, стандартов, рабочих чертежей или паспортных данных заводов-изготовителей. Для других конструкций (монолитный железобетон, кирпичная кладка, грунт) значение веса определяют по проектным размерам и плотности материалов. Для железобетона плотность принимается: ρ = 2500 кг/м³, для стали ρ = 7850 кг/м³, для кирпичной кладки ρ = 1800 кг/м³.

Постоянная нагрузка может иметь три расчетных значения:

ü предельное значение, определяемое по формуле:

F_m = F₀ · γ_fm · γ_n,

ü эксплуатационное значение, определяемое по формуле:

F_e = F₀ · γ_fe · γ_n,

ü квазипостоянное значение, определяемое по формуле:

F_p = F₀ · γ_fp γ _n.

В приведенных формулах γ_n – коэффициент надежности по назначению сооружения. Значения даются в зависимости от степени ответственности в ДБН [1] и приведены в табл. 2.3. Значения коэффициента надежности по предельному значению постоянных нагрузок γ_fm принимается по табл. 2. 8

Таблица 2.8– Значение коэффициента γ_fm

Конструкции сооружений и вид грунтов	γf m
Конструкции:
– металлические, у которых усилия от собственного веса: меньше 50% равны или больше 50%	1,05 (0,95) 1,10 (0,90)
– бетонные (со средней плотностью свыше 1600 кг/м^3), железобетонные, каменные, армокаменные, деревянные	1,10 (0,90)
– бетонные (со средней плотностью 1600кг/м^3 и менее), изоляционные, выравнивающие и отделочные слои (плиты, материалы в рулонах, засыпки, стяжки и т.п.) выполняемые: – в заводских условиях – на строительной площадке	1,20 (0,90) 1,30 (0,90)
Грунты: – в природном залегании – насыпные	1,10 (0,90) 1,15 (0,90)

.

Значения в скобках следует использовать при проверке устойчивости конструкции на опрокидывание и в иных случаях, когда уменьшение веса конструкций и грунтов может ухудшить условия работы конструкции.

Значение коэффициент надежности по эксплуатационному значению нагрузки γ_fe принимается равным 1, т.е γ_fe = 1. Равным 1 принимается также значение коэффициента γ_fp, используемого для определения квазипостоянного расчетного значения нагрузки, применяемого в расчетах с учетом реологии материала

 

Нагрузка на перекрытия и покрытия зданий

В табл. 2.9 приведены характеристические и квазипостоянные значения равномерно распределенных временных нагрузок на плиты перекрытий, лестницы и полы на грунтах жилых и общественных зданий.

Расчетные предельное и эксплуатационное значения нагрузок на перекрытия определяют соответственно по формулам:

q_m = q₀· γ_fm · γ_n,

q_e = q₀· γ_fe · γ_n.

Коэффициенты надежности для предельной расчетной нагрузки γ_fm = 1,3при q₀ < 2кН/м²; γ_fm = 1,2при q₀ ≥ 2кН/м². Коэффициент надежности для эксплуатационной расчетной нагрузки γ_fe = 1.

 

Таблица 2.9 – Нагрузка на перекрытия и покрытия зданий

 

 

Продолжение таблицы 2.9.

Снеговая нагрузка

Снеговая нагрузка является переменной, для которой установлены три расчетных значения: предельное, эксплуатационное и квазипостоянное. Для расчета без учета реологических свойств материала используют предельное и эксплуатационное расчетные значения снеговой нагрузки.

Предельное расчетное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия определяется по формуле:

S_m = S₀ · C · γ_fm (2.9)

где S₀ – характеристическое значение снеговой нагрузки, равное весу снегового

 

покрова на 1м² поверхности земли. Значения S₀ определяются в зависимости от снегового района по карте районирования или по приложению Е [2]. На территории Украины выделено шесть снеговых районов. Максимальные характеристические значения нагрузки для каждого из шести снеговых районов приведены в табл. 2.10. Город Запорожье расположен в III снеговом районе.

Таблица 2.10 – Максимальные значения характеристической снеговой нагрузки

Снеговой район	I	II	III	IV	V	VI
S0, Па (кН/м^2)	800 (0,8)	1000 (1,0)	1200 (1,2)	1400 (1,4)	1600 (1,6)	1800 (1,8)

 

Более точные характеристические значения снеговой и ветровой нагрузок для некоторых городов Украины приведены в табл. 2.11.

Коэффициент С в формуле (2.9) определяется по формуле:

С = μ · Се · Саlt,

где: С_е – коэффициент учитывающий режим эксплуатации кровли; С_аlt – коэффициент географической высоты; μ – коэффициент перехода от веса снегового покрова на поверхности земли к снеговой нагрузке на покрытии, зависящий от формы кровли. Для зданий с односкатными и двухскатными покрытиями (рис. 2.1) значения коэффициента μ принимают равным:

μ = 1 при α ≤ 25⁰,

μ = 0 при α > 60⁰,

где α – угол наклона кровли. Промежуточные значения μ определяются линейной интерполяцией

Варианты 2 и 3 следует учитывать для зданий с двухскатными профилями (профиль б), при этом вариант 2 – 20 ⁰ ≤ α ≤ 30⁰, а вариант 3 – 10⁰ ≤ α ≤ 30⁰ только при наличии ходовых мостиков или аэрационных устройств.

Значение коэффициента μ для зданий

с покрытиями других очертаний можно найти в приложении Ж [2].

Коэффициент Се в формуле (2.9), учитывает влияние режима эксплуатации на накопление снега на кровле (очистку, таяние и др.), устанавливается заданием на проектирование. Для неутепленных покрытий цехов с повышенным тепловыделением при уклонах кровли свыше 3% и обеспечении надлежащего

отвода талой воды следует принимать

Се =0,8. При отсутствии данных о режиме эксплуатации кровли допускается принимать Се = 1.

Коэффициент С_аlt – учитывает географическую высоту Н (км) размещения строительного объекта над

уровнем моря. При Н < 0,5 км, С_аlt = 1, при Н ≥ 0,5 км значение С_аlt можно определить по формуле:

С_аlt = 1,4Н + 0,3

Таблица 2.11 – Характеристические значения ветровых и снеговых на­грузок для некоторых городов Украин

Города областного подчинения	w0 (Па)	So (Па)	Города областного подчинения	w0 (Па)	So (Па)
Киев			Луганск
Севастополь			Луцк
Симферополь			Львов
Керчь			Николаев
Феодосия			Одесса
Винница			Полтава
Днепропетровск			Ровно
Донецк			Сумы
Житомир			Тернополь
Запорожье			Харьков
Бердянск			Херсон
Мелитополь			Хмельницкий
Токмак			Черкассы
Ивано-Франковск			Черновцы
Кировоград			Чернигов
Кременчуг			Ужгород

 

Коэффициент надежности по предельному расчетному значению снеговой нагрузки γ_fm в формуле (2.9) определяется в зависимости от заданного среднего периода повторяемости Т по табл. 2.12

Таблица 2.12 – Коэффициент γ_fm по предельному значению снеговой нагрузки

Т,лет
γfm	0,24	0,85	0,69	0,83	0,96	1,0	1,04	1,1	1,14	1,22	1,26

 

Промежуточные значения γ_fm следует определять линейной интерполяцией Для объектов массового строительства допускается период повторяемости аварийной ситуации Т принимать равным установленному сроку эксплуатации конструкции Т_еf (см. табл.2.1).

Эксплуатационное расчетное значение снеговой нагрузки определяется по формуле:

S_e = S_o · C · γ_fe, (2.10)

где S_o и C – то же что и в формуле (2.9); γ_fe – коэффициент надежности по эксплуатационному значению снеговой нагрузки, определяемый по таблице 2.11 в зависимости от доли времени η на протяжении которой могут нарушаться условия второго предельного состояния; промежуточное значение γ_fe следует определять линейной интерполяцией.

Таблица 2.13. Коэффициент γ_fe по эксплуатационному значению снеговой нагрузки

η	0,002	0,005	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,1
γfe	0,88	0,74	0,62	0,49	0,4	0,34	0,28	0,1

 

Значение η принимается по нормам проектирования конструкций или устанавливается заданием на проектирование в зависимости от их назначения, ответственности и следствий выхода за предельное состояние. Для объектов массового строительства допускается принимать η = 0,02 (2% времени от срока службы сооружения).

 

Ветровая нагрузка

Ветровая нагрузка является переменной, для которой установлены два расчетных значения: предельное и эксплуатационное.

Предельное расчетное значение ветровой нагрузки определяется по формуле:

w_m = w₀ · C γ_fm, (2.11)

где С – коэффициент определяемый по формуле (2.12); γ_fm – коэффициент надежности по предельному значению ветровой нагрузки; w₀ - характеристическое значение ветровой нагрузки, равное средней (статической) составляющей давления ветра на высоте 10м над поверхностью земли. Значение w₀ определяется в зависимости от ветрового района по карте районирования или по приложению Е [5].

На территории Украины выделено пять ветровых районов. Максимальные характеристические значения нагрузки для каждого из ветровых районов приведены в табл. 2.14. Город Запорожье расположен в III ветровом районе.

 

Таблица 2.14 – Максимальные характеристические значения ветровой нагрузки

Ветровой район	I	II	III	IV	V
w0,

 

Более точные значения характеристической ветровой нагрузки для некоторых городов Украины приведены в табл. 2.11

Коэффициент С в формуле (2.11) определяется по формуле:

С = Саер · Сh · Calt ·Crel · Cdir · Cd (2.12)

где Саер – аэродинамический коэффициент; Сh - коэффициент высоты сооружения; Calt – коэффициент, учитывающий географическую высоты местности; Crel – коэффициент, учитывающий рельеф местности; Cdir – коэффициент направления; Cd – коэффициент динамичности.

Современные нормы предусматривают несколько аэродинамических коэффициентов:

– внешнего воздействия Се;

– трения С_f;

– внутреннего воздействия C_i;

– лобового сопротивления С_х;

– поперечной силы С_у.

Значения аэродинамических коэффициентов определяются по приложению И [5]

в зависимости от формы сооружения или конструктивного элемента. При расчете рам каркасов зданий обычно используют аэродинамический коэффициент внешнего воздействия Се. На рисунке 2.2 представлены сооружения простейшей формы, схемы ветрового давления на поверхности и аэродинамические коэффициенты внешнего воздействия к ним.

 

 

а – отдельно стоящие плоские сплошные конструкции;

б – здания с двускатными покрытиями.

Рис.2.2. Схемы ветровых нагрузок

Для зданий с двускатными покрытиями (рис.3.2,б) аэродинамический коэффициент активного давления Се = + 0,8; значения коэффициентов Се1 и Се2 в зависимости от размеров здания приведены в табл. 2.15, коэффициент Се3 – в табл.2.16.

Таблица 2.15 – Значения коэффициентов Се1 и Се2

Коэффициент	α, град.	Значения Се 1, Се2 при h / l, равном
	0,5		≥ 2
Се1			- 0,6	- 0,7	- 0,8
	+ 0,2	- 0,4	- 0,7	- 0,8
	+ 0,4	+0,3	- 0,2	- 0,4
	+ 0,8	+0,8	+0,8	+0,8
Се2	≤ 60	- 0,4	- 0,4	- 0,5	- 0,8

 

Таблица 2.16 – Значения коэффициентов Се3

b/ l	Значения Се3 при h / l, равном
≤ 0,5		≥ 2
≤ 1	- 0,4	- 0,5	- 0,6
≥ 2	- 0,5	- 0,6	- 0,6

 

Знак «плюс» у коэффициентов соответствует направлению давления ветра на поверхность, знак «минус» - от поверхности. Промежуточные значения коэффициентов следует определять линейной интерполяцией. Максимальное значение коэффициента для откоса Се3 = 0,6.

Коэффициент высоты сооружения Сh учитывает увеличение ветровой нагрузки по высоте здания и зависит от типа окружающей местности. Для одноэтажных зданий коэффициент Сh определяется по табл. 2.17.

Таблица 2.17. -- Значения коэффициентов Сh для одноэтажных зданий

Z (м)	Сh для типа местности
	I	II	III	IV
≤ 5	0,9	0,7	0,40	0,20
	1,20	0,90	0,60	0,40
	1,35	1,15	0,85	0,65
	1,60	1,45	1,15	1,00
	1,75	1,65	1,35	1,10
	1,90	1,75	1,50	1,20
	1,95	1,85	1,60	1,25
	2,15	2,10	1,85	1,35
	2,3	2,20	2,05	1,45

 

Для многоэтажных зданий, у которых период собственных колебаний первой формы Т₁ > 0,25 сек, значения коэффициента Сh определяется по табл.2.18.

Таблица 2.18. -- Значения коэффициентов Сh для многоэтажных зданий,

у которых первый период собственных колебаний Т₁ >0,25с

Z (м)	Сh для типа местности
	I	II	III	IV
≤ 5	1,40	1,20	0,90	0,60
	1,80	1,50	1,20	1,00
	1,95	1,85	1,55	1,40
	2,25	2,20	2,00	1,95
	2,45	2,45	2,25	2,25
	2,65	2,60	2,45	2,50
	2,70	2,70	2,60	2,70
	2,95	3,00	2,90	3,10
	3,10	3,15	3,20	3,40

 

Типы местности, окружающей сооружение, определяются для каждого расчетного направления ветра в отдельности:

I – открытые поверхности морей, озер, а также равнины без препятствий, подвергающееся действию ветра на участке длиной не менее 3 км;

II – сельская местность с оградами (заборами), небольшими сооружениями, домами и деревьями;

III – пригородные и промышленные зоны, протяженные лесные массивы;

IV – городские территории, на которых по крайней мере 15% поверхности занято зданиями, имеющими среднюю высоту более 15 м.

Сооружение считается расположенным на местности данного типа для определенного расчетного направления ветра, если в рассматриваемом направлении такая местность располагается на расстоянии 30 Z при полной высоте сооружения Z < 60м или 2 кмпри Z > 60м (Z – высота здания).

Коэффициент географической высоты Calt учитывает высоту Н (км) размещения строительного объекта над уровнем моря и определяется по формулам:

Calt = 2Н, при Н > 0,5 км,

Calt = 1, при Н ≤ 0,5 км.

Коэффициент рельефа Crel учитывает микрорельеф местности вблизи площадки, на которой расположен строительный объект. Crel = 1 за исключением случаев, когда объект строительства расположен на холме или на склоне.

Коэффициент направления Cdir учитывает неравномерность ветровой нагрузки по направлению ветра и, как правило, принимается Cdir = 1. Значения коэффициента Cdir ≠ 1 принимается при специальном обосновании только для открытой равнинной местности.

Коэффициент динамичности Cd учитывает, влияние пульсационной составляющей ветровой нагрузки и пространственную корреляцию ветрового давления на сооружение. Для одноэтажных зданий Cd = 1. Для многоэтажных зданий, у которых первый период собственных колебаний Т₁ >0,25сек, значения коэффициента Cd определяются по графикам на рис 9.5 (для каменных зданий и зданий с железобетонным каркасом) и 9.6 (для зданий со стальным каркасом) [3]

Коэффициент надежности по предельному расчетному значению ветровой нагрузки γ_fm определяется в зависимости от заданного среднего периода повторяемости Т по таблице 2.19.

 

Таблица 2.19. -Коэффициент надежности по предельному расчетному значению ветровой нагрузки γ_fm

Т, лет
γfm	0,55	0,69	0,77	0,87	0,96	1,0	1,07	1,14	1,22	1,28	1,35	1,45

 

Промежуточные значения γ_fm следует определять линейной интерполяцией.

Для объектов массового строительства допускается средний период повторяемости Т принимать равным установленному сроку эксплуатации конструкции Т_ef (см. табл. 2.1).

Эксплуатационное расчетное значение ветровой нагрузки определяется по формуле:

w_е = w₀ · C γ_fе ,, (2.13)

 

где w₀ и C – то же, что и в формуле (2.12); γfe – коэффициент надежности по эксплуатационному расчетному значению ветровой нагрузки, определяемый по таблице 2.20 в зависимости от доли времени η на протяжении которой могут нарушаться условия второго предельного состояния. Промежуточное значение γ_fe следует определять линейной интерполяцией.

Значение η принимается по нормам проектирования конструкций или устанавливается заданием на проектирование в зависимости от их назначения, ответственности и последствий выхода за предельное состояние. Для объектов массового строительства η = 0, 02.

 

Таблица 2.20 – Коэффициент надежности по эксплуатационному расчетному значению ветровой нагрузки γfe

η	0,002	0,005	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,1
γfe	0,42	0,33	0,27	0,21	0,18	0,16	0,14	0,09

 

Сочетания нагрузок

 

В расчетах конструкций могут использоваться сочетания двух типов:

ü основные;

ü аварийные.

Для проверки предельных состояний I группы используются основные сочетания, включающие постоянные нагрузки с предельными расчетными значениями, а также предельные расчетные, циклические или квазипостоянные значения переменных нагрузок.

Для проверки предельных состояний II группы используются основные сочетания с эксплуатационными расчетными значениями постоянных, циклических или квазипостоянные нагрузок.

В аварийно е сочетание кроме постоянных и переменных нагрузок может входить только одно эпизодическое воздействие (например, сейсмика или взрыв).

Основны е сочетания включают в себя постоянную и переменные нагрузки. Малая вероятность одновременной реализации расчетных значений нескольких нагрузок учитывается умножением расчетных значений нагрузок, вошедших в сочетание, на коэффициент сочетания ψ

Основные сочетания включают в себя постоянную нагрузку, одну или несколько переменных (длительных или кратковременных), причем длительные нагрузки учитываются с коэффициентом сочетания ψ₁ = 0,95, а кратковременные с коэффициентом ψ₂ = 0,9. Если учитывается только одна переменная нагрузка (длительная или кратковременная), то ее нужно взять с коэффициентом сочетания ψ = 1.

Аварийное сочетаниевключает в себя постоянную нагрузку и не менее двух переменных (длительных или кратковременных), причем длительные нагрузки учитываются с коэффициентом ψ₁ = 0,95, а кратковременные с коэффициентом ψ₂ = 0,8 и одну эпизодическую с коэффициентом ψ₃ = 1.

В сочетания должны входить нагрузки, которые наиболее неблагоприятно влияют на конструкции. Взаимоисключающие воздействия не могут входить в одно сочетание.

 

Тесты для самоконтроля

1. Предельное расчетное значение нагрузки определяют по формуле:

А – F_m = F₀ · γ_{f m} · γ _n,

Б – F_e = F₀ · γ_{f e} · γ _n,

В – F_p = F₀ · γ_{f p} · γ _n,

2. Коэффициент С_h при подсчете ветровой нагрузки зависит от:

А – района строительства;

Б – типа местности;

В – географической высоты.

3. Если уклон кровли α=45⁰, то значение коэффициента μ для определения снеговой нагрузки:

А – μ=0;

Б – μ=1;

В – определяется линией интерполяцией

4.. К переменным длительным относятся нагрузки:

А – от собственного веса конструкций;

Б – от собственного веса оборудования;

В – от снега.

5. Максимальное значение для аэродинамического коэффициента для ветрового отсоса:

А – с_е3= -1;

Б – с_е3= -0,8;

В – с_е3= -0,6.

6. Максимальное значение для аэродинамического коэффициента для активного ветрового давления:

А – с_е3=1;

Б – с_е3=0,8;

В – с_е3=0,6.

7. Характеристическое значение ветровой нагрузки W₀ зависит от:

А – района строительства;

Б – типа местности;

В – высоты местности.

8. Нагрузка от людей на перекрытие является:

А – кратковременной;

Б – длительной;

В – постоянной.

9. К постоянным относятся нагрузки:

А – собственного веса конструкций;

Б – от собственного веса оборудования;

В – от снега.

10. Ветровая нагрузка относится к нагрузкам:

А – эпизодическим;

Б – переменным длительным;

В – переменным кратковременным.

11. Сейсмическая нагрузка относится к нагрузкам:

А – эпизодическим;

Б – переменным длительным;

В – переменным кратковременным.

Литература

1. ДБН В. 1.2-14-2009 Загальні принципи забезпечення надійності та конструктивної безпеки будівель, споруд, будівельних конструкцій та основ. К.: Мінрегіонбуд України, 2009. – 22 с.

2. ДБН В.1.2 – 2: 2006. Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования.

К.: Минстрой Украины, 2006. – 78 с.

3. ДБН В.2.6 – 163: 2010 Сталеві конструкції. Нормі проектування, виготовлення і монтажу. К.: Мінрегіонбуд України, 2010. – 220 с

4. Металлические конструкции / Под общ. ред. Е.И. Беленя. Изд.6. – М.:

Стройиздат, 1986. – 559 с.

5. Клименко Ф.Е., Барабаш В.М. Металеві конструкції. Львів: вид. «Світ» 1994. – 278 с.