Строим дом Мечты сбываются

Чем отличаются нагрузки от усилий?

Хочется написать ответ на этот вопрос, чтобы расставить все точки над "i". При расчете любых конструкций всплывают оба эти термина. Причем как нагрузки могут быть и в виде сил, и в виде моментов, так и усилия.

Как же не запутаться в этих понятиях и выполнить расчет с пониманием?

 

Давайте рассмотрим алгоритм любого расчета.

1.     Определение расчетной схемы.

Это первый шаг, когда мы от конструкции "в теле" переходим к условным палочкам и пластинам. При этом задаются связи, определяется, как же все элементы взаимодействуют друг с другом, какие части конструкции будут работать, а какие – просто нагружать другие части целого. Важный момент – выбор между шарниром и защемлением. Любые два элемента могут быть соединены как довольно свободно, так и жестко, это дает свои "плюсы" и "минусы" в ходе расчета.

2.     Сбор нагрузок.

Когда расчетная схема определена, когда принято решение, что же будет работать в нашей конструкции, а что "сидеть на шее", следует как можно тщательней разобраться с тем, что же воздействует на нашу конструкцию. И здесь мы впервые сталкиваемся с понятием "нагрузка". Нагрузка – это любое внешнее воздействие, которое влияет на нашу конструкцию. Список нагрузок не так уж велик:

  • Нагрузка от собственного веса (да, даже под своим собственным весом неправильно рассчитанная конструкция может сломаться) и от веса других элементов, материалов.
  • Нагрузка от веса людей, мебели, оборудования – в общем всего того, что может быть, может не быть, но важно это учесть и не просчитаться.
  • Нагрузка от снега.
  • Нагрузка от ветра.
  • Нагрузка от температурных воздействий (под действием температур материалы расширяются вплоть до разрушения, это явление также можно выразить в виде нагрузки).
  • Сейсмическая нагрузка.

Как видите, всё это (ну, за исключением собственного веса) приходит извне, но оказывает значительное влияние на любую конструкцию. Причем каждая нагрузка может располагаться в пространстве произвольным образом по отношению к объекту расчета – и перпендикулярно, и под углом, и вдоль оси. Нагрузки могут сочетаться между собой, могут исключать друг друга. В общем, вариантов масса, но все это нам нужно свести в единую систему, найти наихудший вариант и запроектировать такую конструкцию, которая этот наихудший вариант сможет на собственных плечах вынести. Каким же приемом пользуются в расчете, чтобы перевести нагрузки в удобоваримый формат? Ведь нагрузок может быть масса, но глядя на них, не сразу возможно понять, плохо или хорошо они воздействуют на конструкцию. Именно для прояснения картины с нагрузками в алгоритме расчета присутствует следующий, очень важный шаг.

3.     Выполнение расчета для определения усилий.

Усилия – это именно те данные, которые помогают инженеру понять, как же чувствует себя конструкция под воздействием всей совокупности нагрузок. Если нагрузки (внешние силы) – это то, что влияет на схему извне, то усилия – это то, что чувствует каждый элемент расчетной схемы непосредственно на своей шкуре. Человек стал вам на ногу – это нагрузка, приложенная к вашей ноге как к конструкции; вы почувствовали давление веса этого человека, оно вызывает в вас определенные напряжения, деформации – это усилие в вашей ноге.

Один очень опытный конструктор говорил мне, что при проверке решений других инженеров он представляет себя на месте конструкции. И иногда обнаруживает, что кто-то прицепил значительную нагрузку не на туловище, руки или ноги (в общем, не на выносливые элементы), а подвесил к уху или носу, а то и за волосы попытался зацепиться. Это шутки, но очень глубокие. Если научиться представлять работу конструкции: представлять в виде образов возникающие в ней усилия от всех нагрузок, представлять ее деформации от этих усилий, можно значительно облегчить себе жизнь, да и жизнь конструкции тоже.

Видов усилий не так уж и много, все они собраны в двух понятиях – силы и моменты. Усилие в виде силы всегда прямое, оно либо сжимает, либо растягивает, либо пытается перерезать. Усилие в виде момента пытается изогнуть или закрутить. Если взять стержень (балку, колонну), его "самочувствие" очень просто описать несколькими значениями:

  • продольной силой N, которая либо сжимает, либо растягивает вдоль оси;
  • поперечной силой Q, которая пытается срезать стержень поперек сечения (как мы ножом режем морковку) или хотя бы помочь потерять ему устойчивость;
  • изгибающим моментом M, который стремится согнуть стержень, искривить его;
  • крутящим моментом Т, который пытается скрутить стержень так, как мы выкручиваем мокрое полотенце.

Все это усилия, полученные в результате расчета конструкции (взяты в типовом примере Лиры).

Получается, что нагрузки – это исходные данные для расчета, а усилия – результат. Отчего же тогда возникает путаница в понятиях? Думаю потому, что найденные усилия – это результат не окончательный, а промежуточный. С учетом этих усилий идет дальнейшая проверка несущей способности сечения, рассчитывается и подбирается армирование. И в этом дальнейшем расчете усилия становятся уже на место исходных данных. И у нас вырисовывается следующий этап.

1.     С учетом усилий проверяем (или определяем) сечение каждого элемента расчетной схемы и его армирование.

Допустим, есть железобетонная рама. Собрали нагрузки, выполнили расчет, определили усилия в балках и колоннах. А что дальше? Дальше разбираем конструкцию на части (колонны – отдельно, балки – отдельно) и считаем эти части с учетом уже не нагрузок, а усилий. И часто при этом задача звучит так: "Нагрузки на колонну: N = …, М = …". Вот люди и путаются. Особенно с колоннами. В балках-то проще: нагрузка равномерно распределенная (обозначается обычно прописной q и рисуется рядом стрелочек), усилия – момент и поперечная сила (изображаются эпюрами). А в колонне как? Нагрузка – вертикальная сосредоточенная сила (изображается стрелкой с буквой), и усилие – что-то в этом же духе (опять же стрелка с буквой). И получается подмена понятий, путаница.

Еще бывают ошибки в том, что расчетчик недооценивает значения соединения конструкций между собой (бывают ведь жесткие и шарнирные узлы, и нагрузку они передают по-разному), представляя себе, что зависимость "нагрузка → усилие" всегда очевидна. Но есть такое явление, как перераспределение усилий. И не всегда в конструкции, нагруженной больше других, усилия окажутся тоже бОльшими. Усилия могут и перераспределяться, и компенисироваться – гасить друг друга. Все это выявляется в ходе расчета, а укладывается в систему, в общее вИдение работы конструкций – в ходе многочисленных расчетов.

Радует одно: с опытом путаница в голове проясняется и все становится на свои места. Главное – запомнить алгоритм и четко ему следовать. Ну, и делать выводы. Подмечать закономерности. Находить объяснения неожиданным результатам. "Почему?" и "а что, если…?" – главные вопросы инженера. И время, выделенное на поиск ответов, зачастую бывает намного важнее рутинной работы, не вызывающей сомнений.

Интересных вам расчетов!

Добавить комментарий


Последняя статья на сайте

Об анкеровке разными способами – что работает, а что – не очень

Очень часто при строительстве и при реконструкции нужно присоединить одну конструкцию к другой. Причем присоединить надежно, чтобы не было разрушения. Все узлы сопряжения очень важны, их целостность обеспечивает проектное положение конструкции, а значит – ее целостность. Мне в свое время хорошо запомнилась яркая аналогия главного конструктора Владимира Борисовича, который ввел меня в мир проектирования. Мне кажется, я ее уже приводила, но повторить будет не лишним. Он говорил мне: "Я представляю себе любую конструкцию так, будто она – это я. И анализирую, надежные ли опоры выбраны для каждой части. И когда я так делаю, то иногда вижу, что инженер вместо того, чтобы опереться на руку, на плечо или на туловище, прицепился к уху или к носу – повесил на них то, что они явно не выдержат". Вот иногда при помощи таких ушей, носов и даже ресничек мы пытаемся связать массивные, тяжелые конструкции, требующие под собой надежную опору. Особенно часто это случается при применении всевозможных анкеров, которые связывают одно с другим в единое целое.

Давайте рассмотрим ситуации с анкеровкой на живых ситуациях.

Прочитать статью

Популярные статьи

Последние комментарии

  • Иринa 22.05.2018 12:08
    С нагрузкой. Только не от всего этажа, а от 0,5 пролета (или от 1 пролета в зимних условиях)

    Подробнее...

     
  • Анна 22.05.2018 11:53
    Хотя, там перемычка сборная, два ряда кладки и монолитное перекрытие. Как бы вы посчитали в этом ...

    Подробнее...

     
  • Анна 22.05.2018 11:48
    Спасибо! А у меня как раз варианты когда перемычка и кладки всего три ряда и еще сразу с опиранием на ...

    Подробнее...

     
  • Иринa 22.05.2018 11:43
    До перекрытия. А еще правильней сказать: в пределах заданного нормами прямоугольника. Обычно, когда под ...

    Подробнее...

     
  • Анна 22.05.2018 09:05
    Я читала и у вас в статье, и в п.9.47 Железобетонные перемычки следует рассчитывать на нагрузку ...

    Подробнее...

     
  • Татьяна 22.05.2018 08:55
    Спасибо огромное за ответы! ;-)

    Подробнее...

     
  • Иринa 22.05.2018 07:04
    О, простите, не заметила. Эксцентриситет - это расстояние от точки приложения нагрузки до оси ...

    Подробнее...