Нагрузками, наиболее часто рассматриваемыми при расчете строительных конструкций, являются массы тел (причем далеко не всегда только физическая масса, а иногда еще и инерционная, но об этом чуть позже) и разница давлений. Но это далеко не все, что можно сказать о нагрузках.
В теоретической механике и сопромате принято различать нагрузки, действующие на рассчитываемые конструкции или элементы конструкций, по различным признакам. Одним из таких признаков является время действия нагрузки. По времени действия нагрузки делятся на постоянные и временные:
Постоянные нагрузки
Нагрузки, действующие на конструкцию в течение всего времени эксплуатации конструкции, будь то одна секунда или одно тысячелетие.
Как правило к постоянным нагрузкам относится только нагрузка от собственного веса конструкции. Например, для ленточного фундамента постоянной нагрузкой будет собственный вес всех элементов здания, а для фермы перекрытия — собственный вес верхнего и нижнего пояса, стоек, раскосов и соединительных элементов. При этом для каменных или железобетонных элементов нагрузка от собственного веса может составлять больше половины от расчетной нагрузки, а при расчете фундамента и все 90%, а для металлических и деревянных конструкций покрытий и перекрытий нагрузка от собственного веса как правило не превышает 3-10%.
Временные нагрузки
Это все остальные нагрузки, действующие на конструкцию.
В свою очередь временные нагрузки принято разделять на длительные и кратковременные:
Длительные нагрузки
Нагрузки — время действия которых значительно больше времени, в течение которого в конструкции происходят деформации под действием этих нагрузок.
Дело в том, что любое тело, в том числе и человеческое, под действием нагрузок деформируется, т.е. изменяются геометрические параметры тела, такие как длина, ширина, высота, прямолинейность осей и др., а это может непосредственно влиять на работу рассматриваемого элемента. Например, когда при расчете на прочность (расчет по 1 группе предельных состояний) мы составляем уравнения равновесия для балки, рассматриваемой, как прямолинейный стержень, то влияние деформаций мы при этом не учитываем. Учет деформаций ведется при расчете по 2 группе предельных состояний. Так вот, деформация любого тела — процесс не мгновенный. Проще говоря, на то чтобы материал деформировался — нужно время и чем больше инерционная масса рассматриваемого элемента, тем больше времени на деформацию нужно. Например, для легкого материала, например корабельного паруса из мешковины, порыв ветра может рассматриваться как длительная нагрузка, а вот для каменной стены толщиной в 1 метр тот же порыв ветра может рассматриваться как кратковременная нагрузка. Поэтому деление на длительные и кратковременные нагрузки является достаточно условным и зависит от инерционной массы рассматриваемого материала. А кроме того при этом следует учитывать и другие факторы, влияющие на время развития деформаций. Например, время деформации проседающих или пучинистых грунтов может измеряться неделями и даже месяцами, потому нагрузка от снега, лежащего несколько дней на кровле здания, при расчете фундамента может рассматриваться как кратковременная. А вот при расчете кровельного покрытия эта же нагрузку следует рассматривать как длительную.
Кратковременные нагрузки
Нагрузки — время действия которых сопоставимо со временем, в течение которого конструкция деформируется под действием этих нагрузок.
Но в данном случае для описания кратковременной нагрузки только времени действия недостаточно, потому как, если вы аккуратно поставите на 1 секунду мешок с цементом на пол — это одна нагрузка, а если вы тот же мешок с цементом уроните на пол с высоты 1 метр, при этом время контакта мешка с полом будет составлять все ту же 1 секунду, но это будет уже совсем другая нагрузка.
Для более точного определения нагрузки дополнительно разделяются на статические и динамические.
Давление на диски в процентах
Давления на межпозвоночные диски (в процентах от положения стоя)
- лежа на спине 25%
- лежа на боку 75%
- стоя 100%
- стоя, с наклоном вперед 150%
- стоя, с наклоном вперед, в руках вес 220%
- сидя 140%
- сидя с наклоном вперед 185%
- сидя с наклоном вперед, в руках вес 275%
Избегайте слишком мягкой мебели. Чтобы масса тела чрезмерно не давила на позвоночник, корпус должен опираться на седалищные бугры, а это возможно только на жестких сиденьях.
К повседневной мебели на которой приходится сидеть, предъявляются следующие требования:
- высота стула, кресла соответствует длине голени – надо чтобы нога упиралась в пол. Для людей маленького роста рекомендуется подставить под ноги скамеечку. Колено согнуто под прямым углом.
- максимальная глубина приблизительно 2/3 длины бедер.
- под столом достаточное пространство для ног, чтобы их не надо было сильно сгибать.
- если вынуждены долго сидеть, старайтесь каждые 15 – 20 мин. размяться, поменять положение ног.
- Следите за тем, чтобы спина плотно прилегала к спинке стула.
- Сидите прямо не сильно наклоняя голову и не сгибая туловище, чтобы не напрягать мышцы тела.
- Если приходится подолгу ежедневно читать, сделайте приспособление на столе (пюпитр) поддерживающее книгу на достаточной высоте и наклонно к столу, чтобы верхнюю часть туловища не надо было наклонять вперед.
- За рулем автомобиля старайтесь сидеть без напряжения. Важно чтобы спина имела опору. Для этого между поясницей и спинкой кресла положите тонкий валик, что позволит сохранить поясничный сгиб.
- Голову держите прямо. После нескольких часов вождения (если есть возможность) выйдите из машины и сделайте простые гимнастические упражнения: повороты, наклоны, приседания – по 8-10 раз каждое.
- Перед экраном телевизора не сидите и не лежите в одной позе. Периодически меняйте ее, вставайте, чтобы поразмяться. посидели 40-50мин., откиньтесь на спинку стула или кресла, расслабьте мышцы, сделайте 4-5 глубоких вдохов.
Когда человек долго стоит, опорно двигательный аппарат испытывает повышенные нагрузки, особенно поясничный отдел.
- меняйте позу через каждые 10-15 мин., опираясь при этом то на одну то на другую ногу, это уменьшит нагрузку на позвоночник.
- если есть возможность ходите на месте, двигайтесь.
- время от времени прогибайтесь назад, вытянув руки вверх, сделайте глубокий вдох. Этим можно немного снять усталость с мышц плечевого пояса, шеи, затылка, спины.
- моете посуду, гладите белье, и т.п., попеременно ставьте то одну, то другую ногу на маленькую скамеечку или ящик. Страдающим остеохондрозом гладить лучше сидя или поставив гладильную доску так чтобы не приходилось низко наклоняться.
- во время уборки квартиры, работая с пылесосом также старайтесь низко не наклоняться, лучше удлините шланг дополнительными трубками. убирая под кроватью, под столом встаньте на одно колено.
- чтобы поднять предмет с пола опуститесь на корточки или наклонитесь, согнув колени и опираясь рукой о стул или стол. Так вы не перегружаете поясничный отдел позвоночника.
Проблемы в стопе создадут проблемы выше, до головы. Посмотрите картинку, чтобы увидеть как меняется нагрузка на позвоночник на каблуках.
Одна из причин образования грыж межпозвоночного диска, в пояснично-кресцовом отделе, подъем и перенос тяжестей.
Остро, неожиданно возникает боль в пояснице. В случаях, когда поднимают тяжести резко, рывком, а затем переносят тяжелый предмет в сторону, поворачивая при этом туловище.
- тяжелую ношу не носите в одной руке, чтобы не перегружать позвоночник, разделите груз и несите его в обеих руках.
- Недопустимо держать тяжесть, резко сгибаться и разгибаться (наклоняться назад).
- с болью в спине поднимать и переносить тяжести более 15 кг. нежелательно. Лучше приобрести тележку или сумку на колесиках.
- заменить сумку на рюкзак с широкими лямками. Вес полного рюкзака распределяется на вес позвоночника, да и руки остаются свободными.
Если приходится поднимать тяжелое, соблюдайте следующие правила:
- пользуйтесь поясом штангиста ;
- немного присядьте, при этом спина прямая и “жесткая”, шея выпрямлена;
- ухватив двумя руками вес, прижмите к груди и поднимайтесь, не сгибая, спину.
• Спать лучше не на мягкой постели, но и не на досках. Постель должна быть полужесткой, чтобы тело, когда человек лежит на спине, сохраняло физиологические изгибы (шейный лордоз, грудной кифоз и поясничный лордоз).
Позвоночник человека — воистину универсальное изобретение природы, наделенное удивительной многофункциональностью. Это биологический механизм, при помощи которого мы умеем стоять и передвигаться. Кроме того, это проводник основной нервной магистрали, проходящей через него — спинного мозга, а значит ни один наш внутренний орган не смог бы работать без позвоночника. Поэтому его можно назвать и опорой, и движущей силой, и нашим главным защитником.
Статические нагрузки
Условно говоря, это силы, приложенные с минимальным ускорением или с ускорением, стремящимся к нулю.
Таким образом действие инерционной силы при столь малых ускорениях стремится к нулю и расчет ведется только на действие силы от физической массы. Или так: При воздействии статических нагрузок происходит относительно медленное нарастание деформаций, и потому инерционными массами отдельных элементов конструкции, перемещающихся в процессе деформации, можно пренебречь, так как ускорения таких перемещений являются незначительными. В результате этого равновесие между внешними и внутренними силами в любой момент действия статической нагрузки остается как бы неизменным.
К статическим относятся постоянные и длительные нагрузки, иногда кратковременные нагрузки.
Динамические нагрузки
Это нагрузки, изменяющиеся не только во времени, но и в пространстве.
Для динамических нагрузок характерна относительно большая скорость приложения, что требует при расчетах учитывать инерционную массу как объекта, создающего нагрузку, так и элемента, подвергающегося воздействию нагрузки. Другими словами, следует учитывать характер движения объекта создающего нагрузку, а также то, что инерционные массы элементов конструкции, подвергающиеся воздействию динамической нагрузки, перемещаются с ускорением и влияют на напряженно-деформированное состояние элементов. Чтобы учесть это влияние, в уравнения статического равновесия к внешним и внутренним силам добавляются силы инерции на основании принципа Даламбера. Добавление инерционных сил позволяет рассматривать любую движущуюся систему как находящуюся в состоянии статического равновесия в любой момент времени. Таким образом динамические нагрузки вызывают в материале исследуемого элемента конструкции динамические напряжения и поведение материала при этом оказывается отличным от поведения при статических напряжениях.
В свою очередь динамические нагрузки в зависимости от характера движения бывают также нескольких видов. Для строительных конструкций наиболее важными являются подвижные и ударные нагрузки:
Подвижные нагрузки
Это нагрузки возникающие в результате перемещения некоего объекта по поверхности исследуемой конструкции (вдоль рассматриваемой оси элемента).
Например, автомобиль, проезжающий по мосту, создает подвижную нагрузку на элементы моста. При этом подвижная нагрузка будет зависеть не только от массы автомобиля, но и от его скорости и траектории движения. Например, при движении по окружности центробежная сила будет тем больше, чем больше скорость движения, потому улететь в кювет на плохой дороге на большой скорости — пара пустяков.
Ударные нагрузки
Это нагрузки, возникающие в момент соприкосновения перемещающегося объекта с поверхностью исследуемой конструкции (вдоль или поперек рассматриваемой оси элемента).
Однако и это еще не все варианты классификации нагрузок. По площади приложения нагрузки делятся на сосредоточенные и распределенные.
Способ анализа колебаний во времени
- Основные формулы движения
Уравнение движения для высотных зданий записывается в следующем виде:
где [М] — матрица масс элементов; [К] — матрица жесткости; [С] — матрица демпфирования.
Матрица демпфирования может быть определена следующим образом:
Таким образом, матрицу [С] можно представить в виде линейной комбинации матриц [М] и [К].
Коэффициенты 1/τм и тк можно вычислить следующим образом:
В упругопластическом анализе матрица жесткости [К] изменяется в соответствии со степенью нагружения элемента конструкции, соответствующим образом изменяется матрица [С], зависящая от матрицы [К].
- Решение уравнения движения
Пошаговое интегрирование является основным способом решения уравнения движения. Решение каждого шага выполняется при разбивке движения на определенные временные отрезки. Пошаговое интегрирование применительно к решению упругопластического уравнения движения и уравнения упругости достаточно трудоемкий процесс.
При проведении линейного анализа можно выбрать методику накладывания типа колебания. Объем расчета в этом случае сокращается.
- Требования к анализу колебаний во времени
В соответствии с «Требованиями к сейсмоустойчивым сооружениям» и «Техническими требованиями к конструкциям высотных сооружений» выполнение анализа движения во времени должно соответствовать нижеследующим требованиям:
- в соответствии с сейсмичностью строительной площадки и сейсмостойкостью здания выбрать акселерограмму прохождения в единицу времени не менее чем двух групп фактических сейсмических волн и одной группы искусственных сейсмических волн;
- время прохождения сейсмической волны не должно быть менее чем 12 с, обычно принимается 5-10 циклов автоколебаний конструкции; шаг деления сейсмической волны можно принимать 0,01-0,02 с;
- вводить максимальную акселерацию сейсмической волны можно по таблице
