Нагрузки и воздействия на многоэтажные здания определяются на основании задания на проектирование, глав СНиП, руководств и справочников.
Постоянные нагрузки
Постоянные нагрузки практически не изменяются во времени и поэтому учитываются во всех вариантах загружения для рассматриваемой в расчете стадии работы конструкции.
К постоянным нагрузкам относятся: вес несущих и ограждающих конструкций, вес и давление грунтов, воздействия предварительного напряжения конструкций. Постоянными можно считать условно и нагрузки от веса стационарного оборудования и инженерных коммуникаций, имея, однако, в виду, что в некоторых условиях (ремонт, перепланировка) они могут изменяться.
Нормативные значения постоянных нагрузок определяются по данным о весе готовых элементов и изделий или вычисляются по проектным размерам конструкций и плотности материалов (табл. 19.2) (плотности, равной 1 кг/м3, соответствует удельный вес, равный 9,81 Н/м3=0,01 кН/м3).
Нагрузка от веса несущих стальных конструкций. Эта нагрузка зависит от вида и размеров конструктивной системы, прочности используемой стали, приложенных внешних нагрузок и других факторов.
Нормативная нагрузка (кН/м2 площади перекрытий) от веса несущих конструкций из стали класса С38/23 приближенно равна
При расчете ригелей и балок перекрытий учитывается часть нагрузки g, равная (0,3+6/mэт)g - для рамных систем, (0,2+4/mэт)g - для связевых систем, где mєт - число этажей здания, mэт>20.
Для несущих конструкций из сталей класса С38/23 с расчетным сопротивлением R и более высокого класса с расчетным сопротивлением R" нагрузка от их веса определяется соотношением Нормативное значение веса 1 м2 стены, перекрытия составляет приближенно: а) для наружных стен из облегченной кладки или бетонных панелей 2,5-5 кН/м2, из эффективных панелей 0,6-1,2 кН/м2; б) для внутренних стен и перегородок на 30-50% меньше, чем для наружных; в) для несущей плиты перекрытия вместе с полом при железобетонных панелях и настилах 3-5 кН/м2, при монолитных плитах из легкого бетона по стальному профилированному настилу 1,5-2 кН/м2; с добавлением при необходимости нагрузки от подвесного потолка 0,3-0,8 кН/м2,
При вычислении расчетных нагрузок от веса многослойных конструкций принимают, если необходимо, свои коэффициенты перегрузки для разных слоев.
Нагрузку от веса стен и постоянных перегородок учитывают по фактическому ее положению. Если сборные элементы стен прикрепляются непосредственно к колоннам каркаса, при расчете перекрытий вес стен не учитывается.
Нагрузку от веса переставляемых перегородок прикладывают к элементам перекрытия в наиболее неблагоприятном для них положении. При расчете колонн эта нагрузка обычно осредняется по площади перекрытий.
Нагрузки от веса перекрытия распределены практически равномерно и при расчете элементов перекрытия и колонн собираются с соответствующих грузовых площадей.
В современных многоэтажных зданиях со стальным каркасом интенсивность суммы нормативных нагрузок от веса стен и перекрытий, отнесенная к 1 м2 перекрытий, ориентировочно равна 4-7 кН/м2. Отношение всех постоянных нагрузок здания (включая собственный вес стальных конструкций, плоских и пространственных ферм жесткости) к его объему изменяется в пределах от 1,5 до 3 кН/м3.
Временные нагрузки
Временные нагрузки на перекрытия. Нагрузки на перекрытия, обусловленные весом людей, мебели и подобного легкого оборудования, устанавливаются в СНиП в виде эквивалентных нагрузок, равномерно распределенных по площади помещений. Их нормативные значения для жилых и общественных зданий составляют: в основных помещениях 1,5-2 кН/м2; в залах 2-4 кН/м2; в вестибюлях, коридорах, лестницах 3-4 кН/м2, а коэффициенты перегрузки - 1,3-1,4.
Согласно пп. 3.8, 3.9 СНиП временные нагрузки принимаются с учетом понижающих коэффициентов α1, α2 (при расчете балок и ригелей) и η1, η2 (При расчете колони и фундаментов). Коэффициенты η1, η2 относятся к сумме временных нагрузок на нескольких перекрытиях и учитываются при определении продольных сил. Узловые изгибающие моменты в колоннах следует принимать без учета коэффициентов η1, η2 так как основное влияние на изгибающий момент оказывает временная нагрузка на ригелях одного, примыкающего к узлу перекрытия.
Рассматривая возможные схемы расположения временных нагрузок на перекрытиях здания, в проектной практике обычно исходят из принципа наиболее неблагоприятного загружения. Например, для оценки наибольших пролетных моментов в ригеле рамной системы учитывают схемы шахматного расположения временных нагрузок, в расчете рам, стволов жесткости и фундаментов принимают во внимание не только сплошное загружение всех перекрытий, но и возможные варианты частичного, в том числе одностороннего, загружения. Некоторые из таких схем очень условны и приводят к неоправданным запасам в конструкциях и основаниях. определяемая по указаниям СНиП, имеет в основном значение для конструкций покрытия многоэтажного здания и мало влияет на суммарные усилия в ниже расположенных конструкциях. Работа конструкций многоэтажного здания, их жесткость, прочность и устойчивость существенно зависят от правильности учета ветровой нагрузки.
Согласно расчетное значение статической составляющей ветровой нагрузки, кН/м2, определяется по формуле
В практических расчетах нормативную эпюру коэффициента kz заменяют трапециевидной с нижней и верхней ординатами kн≥kв, определяемыми из условий эквивалентности эпюр по моменту и поперечной силе в нижнем сечении здания. С погрешностью не более 2% ординату kн можно считать фиксированной и равной нормативной (1 - для местности типа А; 0,65 - для местности типа Б), а для kв принимать в зависимости от высоты здания и типа местности следующие значения:
Ордината на уровне z:kzэ = kн+(kв-kн) z/H. В здании ступенчатой формы (рис. 19.1) нормативная эпюра приводится к трапециевидной по отдельным зонам разной высоты, отсчитываемой от низа здания. Возможны способы приведения и с иным членением здания на зоны.
При расчете здания в целом статическая составляющая ветровой нагрузки, кН, в направлении осей х и у (рис, 19.2) на 1 м высоты определяется как результирующая аэродинамических сил, действующих в этих направлениях, и выражается через коэффициенты общего сопротивления сх, сy и горизонтальные размеры В, L проекций здания на плоскости, перпендикулярные соответствующим осям:
Для зданий призматической формы с прямоугольным планом при угле скольжения β=0 коэффициент су=0, а сx определяется по табл. 19.1, составленной с учетом данных зарубежных и отечественных исследований и норм.
Если β=90°, то cx=0, а значение сy находят по той же таблице, поменяв местами обозначения В, L на плане здания.
При ветре под углом β=45° значения сx, сy приведены в виде дроби в табл. 19.2, при этом более длинной считается сторона плана В, перпендикулярная оси х. Вследствие неравномерного распределения давления ветра на стены при β=45° и B/L≥2 следует учитывать возможный аэродинамический эксцентриситет в приложении нагрузки qxc, перпендикулярной более длинной стороне, равный 0,15 В, и сответствующий крутящий момент с интенсивностью, кН*м на 1 м высоты
Если на здании есть лоджии, балконы, выступающие вертикальные ребра, к нагрузкам qxc, qyc следует добавить силы трения на обеих стенах, параллельных оси х, у, равные:
При угле β=45° эти силы действуют только в плоскости наветренных стен, и вызываемые ими крутящие моменты с интенсивностью mкр"" = 0,05q(z)LB уравновешиваются. Ho если одна из наветренных стен гладкая, момент mкр"" от сил трения на другой стене нужно учесть. Аналогичные условия возникают при
Если геометрический центр плана здания не совпадает с центром жесткости (или центром кручения) несущей системы, в расчете необходимо учесть дополнительные эксцентриситеты приложения ветровых нагрузок.
Ветровую нагрузку на элементы наружной стены, ригели связевых и рамно-связевых систем, передающие давление ветра от наружной стены на диафрагмы и стволы жесткости, определяют по формуле (19.2), пользуясь коэффициентами давления с+, с- (положительное давление направлено внутрь здания) и нормативными значениями kz. Коэффициенты давления для зданий с прямоугольным планом (с некоторым уточнением данных СНиП):
В случае β=0 для обеих стен, параллельных потоку маются значения су, равные:
Эти же данные используют при 0=90° для сх, поменяв местами обозначения В, L на плане здания.
Для расчета того или иного элемента следует выбрать наиболее неблагоприятные из приведенных значений с+ и с- и увеличить их по абсолютной величине на 0,2 для учета возможного внутреннего давления в здании. Необходимо считаться с резким возрастанием отрицательных давлений в угловых зонах зданий, где с-=-2, особенно при расчете облегченных стен, стекла, их креплений; при этом ширину зоны по имеющимся данным следует увеличить до 4-5 м, но не более 1/10 длины стены.
Влияние окружающей застройки, усложнения формы зданий на аэродинамические коэффициенты устанавливается экспериментально.
При действии ветрового потока возможны: 1) боковое раскачивание аэродинамически неустойчивых гибких зданий (вихревое возбуждение ветрового резонанса зданий цилиндрической, призматической и слабо пирамидальной формы; галопирование зданий плохо обтекаемой формы, связанное с резким изменением боковой возмущающей силы при малых изменениях направления ветра и с неблагоприятным соотношением жесткостей здания при изгибе и кручении), и руководство; 2) колебания здания в плоскости потока при пульсациониом воздействии порывистого ветра. Колебания первого типа могут быть более опасными, особенно при наличии соседних высоких зданий, но методы их учета разработаны недостаточно и для оценки условий их возникновения необходимы испытания крупных аэроупругих моделей.
Динамическая составляющая ветровой нагрузки при колебаниях здания в плоскости потока зависит от изменчивости пульсаций скорости vп, характеризуемой стандартом σv (рис.19.3). Скоростной напор ветра в момент времени t при плотности воздуха р
Для учета крайних значений пульсаций принято vп=2,5σv, что соответствует (при нормальной функции распределения) вероятности превышения принятой пульсации в произвольный момент времени около 0,006.
Наибольший вклад в динамические усилия и перемещения вносят пульсации, частота которых близка или равна частоте собственных колебаний системы. Возникающие инерционные силы и определяют динамическую составляющую ветровой нагрузки, учитываемую согласно СНиП для зданий высотой более 40 м в предположении, что форма собственных колебаний здания описывается прямой линией,
Поскольку погрешность в оценке Т1 незначительно влияет на ξ1 можно рекомендовать для стальных рамных каркасов T1=0,1mэт, для связевых и рамно-связевых каркасов с железобетонными диафрагмами и стволами жесткости T1=0,06 mэт, где mэт - число этажей здания.
Пренебрегая небольшими отклонениями коэффициента формы ϗ от прямой линии, для суммарной ветровой нагрузки (статической и динамической) в зданиях постоянной ширины принимают трапециевидную эпюру, ординаты которой:
В зависимости от рассматриваемого направления ветра, принятых для qс значений (расчетные, нормативные) и размерностей (кН/м2, кН/м) получают соответствующие суммарные нагрузки.
Ускорение горизонтальных колебаний верха здания, необходимое для расчета по второй группе предельных состояний, определяется делением нормативного значения динамической составляющей (без учета коэффициента перегрузки) на соответствующую массу. Если расчет ведется на нагрузку qх, кН/м (рис. 19.2), то
Значение m оценивается делением постоянных нагрузок и 50% временных вертикальных нагрузок, отнесенных к 1 м2 перекрытия, на ускорение свободного падения.
Ускорения от нормативных значений ветровой нагрузки превышаются в среднем раз в пять лет. Если признается возможным снизить период повторяемости до года (или месяца), то к значению нормативного скоростного напора q0 вводится коэффициент 0,8 (или 0,5).
Сейсмические воздействия. При строительстве многоэтажных зданий в сейсмических районах несущие конструкции необходимо рассчитать как на основные сочетания, состоящие из обычно действующих нагрузок (включая ветровую), так и на особые сочетания с учетом сейсмических воздействий (но исключая ветровую нагрузку). При расчетной сейсмичности более 7 баллов расчет на особые сочетания нагрузок является, как правило, определяющим.
Расчетные сейсмические силы и правила их совместного учета с другими нагрузками принимаются по СНиП. С увеличением периода собственных колебаний здания сейсмические силы, в отличие от динамической составляющей ветровой, нагрузки, снижаются или не изменяются. Для более точной оценки периодов собственных колебаний при учете сейсмических воздействий можно использовать способы.
Температурные воздействия. Изменение температуры окружающего воздуха и солнечная радиация вызывают температурные деформации элементов конструкции: удлинение, укорочение, искривление.
На стадии эксплуатации многоэтажного здания температура внутренних конструкций практически не изменяется. Сезонные и суточные изменения температуры наружного воздуха и солнечной радиации влияют прежде всего на наружные стены. Если их прикрепление к каркасу не препятствует температурным деформациям стены, каркас не будет испытывать дополнительных усилий. В случаях, когда основные несущие элементы (например, колонны) частично или полностью вынесены за грань наружной стены, они непосредственно подвергаются температурным климатическим воздействиям, которые необходимо учесть при проектировании каркаса.
Температурные воздействия на стадии возведения или принимают с грубыми допущениями из-за неопределенности температуры замыкания конструкций, или пренебрегают ими, учитывая снижение во времени вызванных ими усилий вследствие неупругих деформаций в узлах и элементах несущей системы.
Влияние температурных климатических воздействий на работу несущей системы в многоэтажных зданиях с металлическим каркасом изучено недостаточно.
Требования к зданиям
В соответствии с нагрузками и воздействиями к зданиям и их конструкциям предъявляются определенные требования.
Любое здание должно отвечать следующим основным требованиям :
1. Функциональной целесообразности, т. е. здание должно полностью отвечать тому процессу, для которого оно предназначено (удобство проживания, труда, отдыха и т. д.).
2.Технической целесообразности, т.е.здание должно надежно защищать людей от внешних воздействий (низких или высоких температур, осадков, ветра), быть прочным и устойчивым, т.е. выдерживать различные нагрузки, долговечным, т.е. сохранять нормальные эксплуатационные качества во времени.
3. Архитектурно-художественной выразительности , т. е. здание должно быть привлекательным по своему внешнему (экстерьеру) и внутреннему (интерьеру) виду, благоприятно воздействовать на психологическое состояние и сознание людей.
Для достижения необходимых архитектурно-художественных качеств используются такие средства, как композиция, масштабность, пропорции, симметрия, ритм и др .
4. Экономической целесообразности , предусматривающей наиболее оптимальные для данного вида здания затраты труда, средств и времени на его возведение. При этом необходимо также наряду с единовременными затратами на строительство учитывать и расходы, связанные с эксплуатацией здания.
Снижение стоимости здания может быть достигнуто рациональной планировкой здания и недопущением излишеств при установлении площадей и объемов помещений, а также внутренней и наружной отделке; выбором наиболее оптимальных конструкций с учетом вида зданий и условий его эксплуатации; применением современных методов и приемов производства строительных работ с учетом достижений строительной науки и техники.
При разработке технического решения проводится техникоэкономическое сравнение вариантов проектируемых конструкций с учетом стоимости возведения и эксплуатации здания.
5. Экологические требования.
требования сокращения территорий , отводимых под застройку. Это достигается повышением этажности, активным освоением подземного пространства (гаражи, склады, тоннели, торговые предприятия и т.п.);
широкое применение эксплуатируемых крыш , эффективное использование неудачных участков территорий (крутой рельеф, выемки и насыпи вдоль железнодорожных магистралей);
экономия природных ресурсов и энергии . Эти требования непосредственно влияют на выбор формы здания (предпочтение компактным сооружениям обтекаемой формы), выбор конструкций наружных стен и окон, выбор ориентации здания в застройке.
Экологические требования сказываются на решении благоустройства застраиваемой территории с увеличением озеленения их территории в том числе вертикального и заменой асфальтобетонных покрытий штучными (брусчаткой, каменными и бетонными плитами). Эти мероприятия способствуют сохранению водного баланса и чистоте воздушной среды территории.
По окончании строительных работ на площадке должна проводиться рекультивация грунтов в целях уменьшения ущерба, наносимого природной среде строительной деятельностью.
Безусловно, комплекс этих требований нельзя рассматривать в отрыве друг от друга. Обычно при проектировании здания принимаемые решения являются результатом согласованности с учетом всех требований, обеспечивающих его научную обоснованность.
Главным из перечисленных требований является функциональная, или технологическая, целесообразность .
Помещение – основной структурный элемент или часть здания. Соответствие помещения той или другой функции достигается только тогда, когда в нем создаются оптимальные условия для человека, т.е. среда, отвечающая выполняемой им в помещении функции.
Внутренне пространство зданий разделяется на отдельные помещения. Помещения подразделяются на:
основные; вспомогательные; технические.
Помещения, размещенные в одном уровне, образуют этаж. Этажи разделяются перекрытиями.
Внутреннее пространство зданий чаще всего расчленено
по вертикали -на этажи и в плане - на отдельные помещения.
Помещения здания должны наиболее полно соответствовать тем процессам, на которые данное помещение рассчитано; следовательно, основным в здании или его отдельных помещениях является его функциональное назначение.
При этом, необходимо различать главные и подсобные функции. Так, например, в здании образовательныхучреждений главной функцией являются учебные занятия, поэтому оно в основном состоит из учебных помещений (аудитории, лаборатории и т. п.). Наряду с этим, в здании осуществляются и подсобные функции: питание, общественные мероприятия, и т. п. Для них предусматриваются специальные помещения: столовые и буфеты, актовые залы, административные помещения и др.
Все помещения в здании, отвечающие главным и подсобным функциям , связываются между собой помещениями, основное назначение которых - обеспечение движения людей. Эти помещения принято называть коммуникационными. К ним относятся коридоры, лестницы, вестибюли, фойе, кулуары и т. п.
Таким образом, помещение должно обязательно отвечать той или иной функции. При этом, в нем должны быть созданы наиболее оптимальные условия для человека, т. е. среда, отвечающая выполняемой им в помещении функции.
Качество среды зависит от ряда факторов. К ним можно отнести:
1. пространство , необходимое для деятельности человека, размещения оборудования и перемещения людей;
2. состояние воздушной среды (микроклимат) – запас воздуха для дыхания с оптимальными параметрами температуры, влажности и скорости его движения, соответствующими нормальному для осуществления данной функции тепло- и влагообмену человеческого организма. Состояние воздушной среды характеризуется также степенью чистоты воздуха, т. е. количеством содержания вредных для человека примесей (газов, пыли);
3. звуковой режим – условия слышимости в помещении (речи, музыки, сигналов), соответствующие его функциональному назначению, и защита от мешающих звуков (шума), возникающих как в самом помещении, так и проникающих извне, и оказывающих вредное влияние на организм и психику человека. Со звуковым режимом связана акустика – наука о звуке; архитектурная акустика – наука о распространении звука в помещении; и строительная акустика – наука, изучающая механизм прохождения звука через конструкции;
4. световой режим – условия работы органов зрения,естественное и искусственное освещение, соответствующие функциональному назначению помещения, определяемые степенью освещенности помещения. Со световым режимом тесно связаны проблемы цвета; цветовые характеристики среды оказывают влияние не только на органы зрения, но и на нервную систему человека;
5. инсоляция – условия прямого влияния солнечного освещения. Санитарно-гигиеническое значение непосредственного солнечного облучения исключительно велико. Солнечные лучи убивают большинство болезнетворных бактерий, оказывают общеоздоровительное и психофизическое воздействие на человека. Эффективность влияния солнечного освещения на здания и окружающую территорию определяется продолжительностью их прямого облучения, т.е. которая в городской застройке регламентируется Санитарными нормами (СН).
6. видимость и зрительное восприятие – условия для работы людей, связанные с необходимостью видеть плоские или объемные объекты в помещении, например в аудитории - записи на доске или демонстрацию действия прибора; условия видимости тесно связаны со световым режимом.
7. движение людских потоков , которое может быть комфортным или
вынужденным, в условиях срочной эвакуации людей из зданий.
Следовательно, для того чтобы правильно запроектировать помещение, создать в нем оптимальную среду для человека, необходимо учесть все требования, определяющие качество среды.
Эти требования для каждого вида зданий и его помещений устанавливаются Строительными нормами и правилами (СНиП) - основным государственным документом, регламентирующим проектирование и строительство зданий и сооружений в нашей стране.
Лекция 2
Техническая целесообразность здания определяется решением его конструкций, которые должны находиться в полном соответствии с законами механики, физики и химии. Для того чтобы правильно запроектировать несущие и ограждающие конструкции зданий, необходимо знать, каким силовым и несиловым воздействиям они подвергаются.
Нагрузки и воздействия на здания.
Конструкции зданий должны учитывать все внешние воздействия, воспринимаемые зданием в целом и его отдельными элементами. Эти воздействия подразделяют на силовые и несиловые (воздействие среды)
Назначение конструкций - восприятие силовых и несиловых воздействий на здание
Внешние воздействия на здание.
1 – постоянные и временные вертикальные силовые воздействия; 2 – ветер; 3 – особые силовые воздействия (сейсмические или др.); 4 – вибрации; 5 – боковое давление грунта; 6 – давление грунта (отпор); 7 – грунтовая влага; 8 – шум; 9 – солнечная радиация; 10 – атмосферные осадки; 11 – состояние атмосферы (переменная температура и влажность, наличие химических примесей)
К силовым воздействиям относятся различные виды нагрузок:
- постоянные - от собственной массы здания, от давления грунта основания на его подземные элементы;
-временные длительного действия – от массы стационарного технологического оборудования, длительно хранящихся грузов, собственной массы перегородок, которые могут перемещаться при реконструкции;
-кратковременные - от массы подвижного оборудования, людей, мебели, снега, от действия ветра на здание;
-особые - от сейсмического воздействия, просадочности лессового или протаявшего мерзлого грунтового основания здания,воздействия деформаций земной поверхности в районах влияния горных выработок, взрывов, пожаров и т.п.
-воздействия, возникающие при чрезвычайных ситуациях - взрывы, пожары и пр.
К несиловым воздействиям относят:
- температурные воздействия пременных температур наружного воздуха, вызывающих линейные (температурные) деформации - изменения размеров наружных конструкций здания или температурные усилия в них при стесненности проявления температурных деформаций вследствие жесткого закрепления конструкций;
- воздействия атмосферной и грунтовой влаги, на материал конструкций, приводящие к изменениям физических параметров, а иногда и структуры материалов вследствие их атмосферной коррозии, а также воздействие парообразной влаги воздуха помещений на материал наружных ограждений, при фазовых переходах влаги в их толще;
-движения воздуха , вызывающие его проникновение внутрь конструкции и помещения, изменяющее их влажностный и тепловой режим;
-воздействие прямой солнечной радиации, влияющей на световой и температурный режим помещений и вызывающей изменение физико-технических свойств поверхностных слоев конструкций (старение пластмасс, плавление битумных материалов и т.п.).
-воздействие агрессивных химических примесей , содержащихся в воздухе, которые в смеси с дождевой или грунтовой водой образуют кислоты, разрушающие материалы (коррозия);
-биологические воздействия , вызываемые микроорганизмами или насекомыми, приводящими к разрушению конструкций и к ухудшению внутренней среды помещений;
-воздействие звуковой энергии (шума) от источников внутри и вне здания, нарушающий нормальный акустический режим в помещении
В соответствии с нагрузками и воздействиями предъявляют и технические требования :
1 Прочность - способность воспринимать силовые нагрузки и воздействия без разрушения.
2. Устойчивость - способность конструкции сохранять равновесие при силовых нагрузках и воздействиях.
3. Жесткость - способность конструкции осуществлять свои статические функции с малыми заранее заданными величинами деформации.
4. Долговечность - предельный срок сохранения физических качеств конструкции здания в процессе эксплуатации.Долговечность конструкции зависит от:
ползучести - процесса малых непрерывных деформаций материала конструкции при длительном загружении;
морозостойкости - сохранения влажными материалами необходимой прочности при многократном чередовании замораживания и оттаивания.
влагостойкости - способности материалов противостоять воздействию влаги без существенного снижения прочности следственного расслоения, возбуждения, коробления и растрескивания.
коррозионостойкости - способности материалов сопротивляться разрушению, вызываемому химическими, физическими или электрохимическими процессами.
биостойкости - способности органических материалов противостоять разрушающим воздействиям микроаргонизмов и насекомых.
→ Конструкции зданий
Нагрузки и воздействия на здания
Здания в целом и их отдельные части испытывают различные влияния от нагрузок (механических усилий) и воздействий, например, от изменения температуры наружного и внутреннего воздуха.
Под влиянием этих нагрузок и воздействий в материалах конструкций зданий возникают внутренние силы, величина которых, приходящаяся на единицу площади (интенсивность внутренних сил), называется напряжением. Напряжение чаще всего измеряется в кг/см2.
В результате напряжений в материалах и конструкциях могут возникать деформации, т. е. растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб, кручение или более сложные деформации.
Деформации могут быть упругими, т. е. исчезающими после устранения воздействия, вызвавшего деформацию, и пластическими, т. е. остающимися после устранения воздействия.
Нагрузка может быть сосредоточенной, когда площадь давления ее мала сравнительно с размером тела, к которому она приложена, и может быть принята за точку, например, нагрузка от человека на пол.
Если площадь давления относительно велика, то нагрузка называется распределенной. Если нагрузка равномерно распределяется по площади, то она называется равномерно распределенной, например, вес слоя воды на водонаполненных плоских покрытиях. Характер приложения нагрузок может быть и другим, например, на стену подвала здания снаружи давление грунта по мере углубления увеличивается и выражается в виде треугольника с основанием на уровне пола подвала.
Временное сопротивление, или предел прочности материала, представляет собой напряжение в материале при различных видах деформации (растяжение, сжатие, кручение, изгиб), соответствующее максимальному (до разрушения образца) значению нагрузки, и измеряется отношением максимальной нагрузки к площади первоначального сечения образца (т. е. сечения недеформированного образца) обычно в кг/см2.
Основными характеристиками сопротивления материалов силовым воздействиям являются нормативные сопротивления (R”), устанавливаемые на основании испытаний.
Рис. 1. Схема распределения нагрузок в здании
а - план; б - разрез
Нормативные сопротивления могут быть главным образом пределами прочности при различных деформациях или пределами текучести материалов, представляющими собой напряжения при различных видах деформации, которые характеризуются тем, что остаточная (пластическая) деформация распределяется по всему рабочему объему образца при постоянстве действующей нагрузки. Нормативные сопротивления различных материалов и конструкций приведены в СНиП II-A. 10-62.
Возможное изменение сопротивлений материалов, изделий и конструкций в неблагоприятную сторону по сравнению с нормативными, вызываемое изменчивостью механических свойств (неоднородностью материалов), учитывается коэффициентами однородности (k), которые приведены в СНиП II-A 10-62.
Особенности работы материалов, конструктивных элементов и их соединений, оснований, а также конструкций и зданий в целом, не отражаемые в расчетах прямым путем, учитываются коэффициентами условий работы (т), приведенными в СНиП II-A. 10-62.
Сопротивления материалов, учитываемые расчетом, называются расчетными сопротивлениями ® и определяются как произведение нормативных сопротивлений (R1’) на коэффициенты однородности (/г), а в необходимых случаях и на коэффициенты условий работы (т).
Значения расчетных сопротивлений для определения условий расчета с учетом соответствующих коэффициентов условий работы устанавливаются нормами проектирования строительных конструкций и оснований зданий и сооружений различного назначения.
Наибольшие нагрузки и воздействия, не стесняющие и не нарушающие нормальных эксплуатационных условий и в возможных случаях контролируемые при эксплуатации и на производстве, называются нормативными.
Возможное отклонение нагрузок в неблагоприятную (большую или меньшую) сторону от их нормативных значений вследствие изменчивости нагрузок или отступлений от условий нормальной эксплуатации учитывается коэффициентами перегрузки (п), устанавливаемыми с учетом назначения зданий и сооружений и условий их эксплуатации.
Различные нормативные нагрузки на перекрытия, нагрузки от технологического оборудования, мостовых кранов, снеговые и ветровые нагрузки, а также коэффициенты перегрузки приведены в главе СНиП II-A. 11-62.
Учитываемые расчетом нагрузки, определяемые как произведение нормативных нагрузок на соответствующие коэффициенты перегрузки, называются расчетными нагрузками.
Все нагрузки и воздействия, вызывающие усилия (напряжения) в конструкциях и основаниях сооружений, учитываемые при проектировании, подразделяются на постоянные и временные. К постоянным относятся такие нагрузки и воздействия, которые могут иметь место при строительстве или эксплуатации сооружений постоянно, например: вес постоянных частей зданий, вес и давление грунтов, усилия предварительного напряжения, вес проводов на опорах линий электропередачи и антенных устройств сооружений связи и др.
Временными называются такие нагрузки или воздействия, которые в отдельные периоды строительства и эксплуатации сооружения могут отсутствовать.
В зависимости от длительности действия временные нагрузки и воздействия разделяются на:
а) временные длительно действующие, которые могут наблюдаться в период строительства и эксплуатации сооружения продолжительное время, например: нагрузки в помещениях книгохранилищ и библиотек, нагрузки на перекрытия складских помещений, вес стационарного оборудования, давление жидкостей и газов в резервуарах и трубопроводах и др.;
б) кратковременно действующие, которые могут наблюдаться в период строительства и эксплуатации сооружения лишь непродолжительное время, например: нагрузки от подвижного подъемно-транспортного оборудования, снеговые и ветровые нагрузки, давления волны и льда, температурные климатические воздействия и др.; »
в) особые, возникновение которых возможно в исключительных случаях, например: сейсмические воздействия в районах, подвергающихся землетрясениям, давления воды при катастрофических паводках, нагрузки, возникающие при разрушении части здания, и др.
При расчете строительных конструкций учитываются не все нагрузки и воздействия, оказывающие на них влияние, а только определенные сочетания нагрузок и воздействий (основные, дополнительные, особые сочетания), которые приведены в СНиП II-A. 10-62 и II-A. 11-62.
По характеру действия нагрузки делятся на статические (меняющиеся постепенно) и динамические (ударные, быстро и периодически изменяющиеся).
Динамические нагрузки и воздействия на строительные конструкции учитываются в соответствии с указаниями нормативных документов по проектированию и расчету несущих конструкций, подвергающихся динамическим нагрузкам и воздействиям. При отсутствии необходимых для этого данных динамическое влияние на конструкции допускается учитывать путем умножения расчетных нагрузок на коэффициенты динамичности.
Для того чтобы здание было технически целесообразным, необходимо знать внешние воздействия, воспринимаемые зданием в целом и его отдельными элементами (рис. 11.2), которые можно разделить на два вида: силовые (нагрузки) и несиловые (воздействия окружающей среды).
Рис. 11.2.
1 – постоянные и временные вертикальные силовые воздействия; 2 – ветер; 3 – особые силовые воздействия (сейсмические или др.); 4 – вибрации; 5 – боковое давление грунта; 6 – давление грунта (отпор); 7 – грунтовая влага; 8 – шум; 9 – солнечная радиация; 10 – атмосферные осадки; 11 – состояние атмосферы (переменная температура и влажность, наличие химических примесей)
К силовым воздействиям относятся различные виды нагрузок:
- постоянные – от собственной массы элементов здания, от давления грунта на его подземные элементы;
- временные длительного действия – от массы стационарного оборудования, длительно хранящихся грузов, собственной массы перегородок, которые могут перемещаться при реконструкции;
- кратковременные – от массы подвижного оборудования, людей, мебели, снега, от действия ветра на здание;
- особые – от сейсмических воздействий, воздействий в результате аварии оборудования.
К несиловым воздействиям относятся:
- температурные воздействия, влияющие на тепловой режим помещений, а также приводящие к температурным деформациям, которые уже являются силовыми воздействиями;
- воздействия атмосферной и грунтовой влаги, а также воздействия паров влаги в воздухе помещения, вызывающие изменения свойств материалов, из которых выполнены конструкции здания;
- движение воздуха, вызывающее его проникновение внутрь конструкции и помещения, изменяющее их влажностный и тепловой режим;
- воздействие прямой солнечной радиации, вызывающее изменение физико-технических свойств поверхностных слоев материала конструкций, а также теплового и светового режима помещений;
- воздействие агрессивных химических примесей, содержащихся в воздухе, которые в смеси с дождевой или грунтовой водой образуют кислоты, разрушающие материалы (коррозия);
- биологические воздействия, вызываемые микроорганизмами или насекомыми, приводящие к разрушению конструкций и к ухудшению внутренней среды помещений;
- воздействие звуковой энергии (шума) от источников внутри и вне здания, нарушающей нормальный акустический режим в помещении.
В соответствии с перечисленными нагрузками и воздействиями к зданиям и их конструкциям предъявляются следующие требования.
- 1. Прочность – способность воспринимать нагрузки без разрушения.
- 2. Устойчивость – способность конструкции сохранять равновесие при внешних и внутренних нагрузках.
- 3. Жесткость – способность конструкций нести нагрузку с минимальными, заранее заданными нормами деформациями.
- 4. Долговечность
– способность здания и его конструкций выполнять свои функции и сохранять свои качества в течение предельного срока эксплуатации, на который они рассчитаны. Долговечность зависит от следующих факторов:
- ползучести материалов, т.е. процесса малых непрерывных деформаций, протекающих в материалах в условиях длительного воздействия нагрузок;
- морозостойкости материалов, т.е. способности влажного материала противостоять попеременному замораживанию и оттаиванию;
- влагостойкости материалов, т.е. их способности противостоять разрушающему действию влаги (размягчению, набуханию, короблению, расслоению, растрескиванию);
- коррозионной стойкости, т.е. способности материалов сопротивляться разрушению, вызванному химическими и электрохимическими процессами;
- биостойкости, т.е. способности органических материалов противостоять разрушающему действию насекомых и микроорганизмов.
Долговечность определяется предельным сроком службы зданий. По этому признаку здания и сооружения разделяют на четыре степени:
- 1–я – более 100 лет (основные конструкции, фундаменты, наружные стены и т.п. выполнены из материалов, обладающих высокой стойкостью против перечисленных видов воздействий);
- 2–я – от 50 до 100 лет;
- 3–я – от 20 до 50 лет (конструкции не обладают достаточной стойкостью, например дома с деревянными наружными стенами);
- 4–я – до 20 лет (временные здания и сооружения).
Срок службы зависит также от условий, в которых находятся здание и сто конструкции, а также от качества их эксплуатации.
Важнейшим требованием к зданиям и сооружениям является требование пожарной безопасности . По степени возгораемости строительные материалы делятся на три группы:
- несгораемые (не горят, не тлеют и не обугливаются под воздействием огня или высокой температуры);
- трудносгораемые (под воздействием огня или высокой температуры с трудом воспламеняются, тлеют или обугливаются, но после удаления источника огня или высокой температуры горение и тление прекращаются). Обычно они защищаются снаружи несгораемыми материалами;
- сгораемые (под воздействием открытого огня или высокой температуры горят, тлеют или обугливаются и после удаления источника огня или температуры продолжают гореть или тлеть).
Предел огнестойкости конструкций зданий определяется длительностью (в минутах) сопротивления действию огня до потери прочности или устойчивости, либо до образования сквозных трещин, либо до повышения температуры на поверхности конструкции со стороны, противоположной огню, в среднем более 140°С.
Здания или их отсеки между противопожарными стенками – брандмауэрами (рис. 11.3) в зависимости от степени возгораемости их конструкций разделяются на пять степеней огнестойкости. Степень огнестойкости зданий определяется по Строительным нормам и правилам (СНиП) 21-01-97* "Пожарная безопасность зданий и сооружений".
Рис. 11.3. Противопожарные стенки – брандмауэры (а) и зоны (б):
1 – противопожарная стенка; 2 – несгораемое перекрытие; 3 – несгораемый гребень
К I степени огнестойкости относятся здания, несущие и ограждающие конструкции которых выполнены из камня, бетона, кирпича с применением плитных или листовых несгораемых материалов. В зданиях II степени огнестойкости материалы также выполнены из несгораемых материалов, но имеют меньший предел огнестойкости. В зданиях III степени огнестойкости допускается применение сгораемых материалов для перегородок и перекрытий. В зданиях IV степени огнестойкости для всех конструкций допускается применение сгораемых материалов с минимальным пределом огнестойкости 15 мин, кроме стен лестничных клеток. К V степени огнестойкости относят временные здания. Предел огнестойкости их конструкций не нормируется. В зданиях III, IV и V степеней огнестойкости предусматривается рассечение их брандмауэрами и противопожарными перекрытиями на отсеки, ограничивающие площадь распространения пожара.
Факторы, воздействующие на здания и сооружения делят на:
Внешние воздействия (природные и искусственные: радиация, температура, воздушные потоки, осадки, газы, химические вещества, грозовые разряды, радиоволны, электромагнитные волны, шум, звуковые колебания, биологические вредители, давление грунта, морозное пучение, влага, сейсмические волны, блуждающие токи, вибрации);
Внутренние (технологические и функциональные: нагрузки постоянные и временные, длительные и кратковременные от собственного веса, оборудования и людей; технологические процессы: удары, вибрации, истирания, пролив жидкости; колебания температуры; влажность среды; биологические вредители).
Все эти факторы приводят к ускоренному механическому, физико-химичекому разрушению, в том числе и к коррозии, что приводит к снижению несущей способности отдельных конструкций и всего здания в целом.
Ниже приведена схема влияния внешних и внутренних факторов на здания и сооружения.
При эксплуатации сооружений различают: силовые воздействия нагрузок, агрессивное воздействие окружающей среды.
Агрессивная среда – среда, под влиянием которой изменяется структура свойства материалов, что приводит к снижению прочности.
Изменение структуры и разрушение называется коррозией. Вещество, способствующее разрушению и коррозии – стимулятор. Вещество, затрудняющее разрушение и коррозию – пассиваторы и ингибиторы коррозии.
Разрушение строительных материалов носит различный характер и зависит от взаимодействия химической, электрохимической, физической, физико-химической среды.
Агрессивные среды делятся на газовые, жидкие, твердые.
Газовые среды: это такие соединения как сероуглерод, углекислый, сернистый газ. Агрессивность данной среды характеризуется концентрацией газов, растворимостью в воде, влажностью и температурой.
Жидкие среды: это растворы кислот, щелочей, солей, масло, нефть, растворители. Коррозионные процессы в жидких средах протекают более интенсивно, чем в других.
Твердые среды: это пыль, грунты. Агрессивность данной среды оценивается дисперсностью, растворимостью в воде, гигроскопичностью, влажностью окружающей среды.
Характеристика агрессивной среды:
Сильно агрессивные – кислоты, щелочи, газы – агрессивные газы и жидкости в производственных помещениях;
Средне агрессивные – атмосферный воздух и вода с примесями – воздух с повышенной влажностью (более 75%);
Слабо агрессивные – чистый атмосферный воздух – незагрязненная вредными примесями вода;
Неагрессивные – чистый, сухой (влажностью до 50%) и теплый воздух – атмосферный воздух в сухих и теплых климатических районах.
Воздействие воздушной среды: в атмосфере содержится пыль, грязь, разрушающие здания и сооружения. Загрязнение воздуха в сочетании с влагой приводит к преждевременному износу, растрескиванию и разрушению строительной конструкции.
Вместе с тем в чистой и сухой атмосфере бетон и другие материалы могут сохраняться сотни лет. Наибольшими интенсивными загрязнителями воздуха являются продукты сгорания различных топлив, поэтому в городах, промышленных центрах металлические конструкции коррозируют в 2-4 раза быстрее, чем в сельской местности, где меньше сжигается угля и топлива.
К основным продуктам сгорания большинства видов топлива относятся CO 2 , SO 2 .
При растворении СО 2 в воде образуется углекислота. Это конечный продукт сгорания. Она разрушающе воздействует на бетон и другие строительные материалы. При растворении SO 2 в воде образуется серная кислота.
В дымах накапливается более 100 видов вредных соединений (HNO 3 , H 3 PO 4 , смолистые вещества, несгорающие частицы топлива). В приморских районах в атмосфере находится хлориды, соли серной кислоты, что при влажном воздухе увеличивает агрессивность воздействия на металлические конструкции.
Воздействие грунтовых вод: грунтовые воды представляют собой раствор с изменяющейся концентрацией и химическим составом, что отражается на степени агрессивности его воздействия. Вода в грунте постоянно воздействует с минералами и органическими веществами. Устойчивое обводнение подземных частей здания при перемещении грунтовых вод усиливает коррозию конструкции и выщелачивание извести в бетоне, снижает прочность основания.
Выделяют общекислотную, выщелачивающую, сульфатную, магнезиальную, углекислотную агрессивность грунтовых вод.
Наиболее существенное воздействие оказывают следующие факторы:
· Воздействие влаги: как показал опыт эксплуатации зданий, наибольшее влияние на износ конструкций оказывает влага. Поскольку фундаменты и стены старых реконструированных зданий выполнены в основном из разнородных каменных материалов (известняк, красный кирпич, известковые и цементные растворы) с пористо-капиллярной структурой, при контакте с водой они интенсивно увлажняются, зачастую изменяют свои свойства и в экстремальных случаях разрушаются.
Основным источником увлажнения стен и фундаментов является капиллярный подсос, который приводит к повреждениям конструкций в процессе эксплуатации: разрушению материалов в результате промерзания; образованию трещин из-за набухания и усадки; потере теплоизоляционных свойств; разрушению конструкций под воздействием агрессивных химических веществ, растворенных в воде; развитию микроорганизмов, вызывающих биологическую коррозию материалов.
Процесс санации зданий и сооружений не может быть ограничен обработкой их биоцидным препаратом. Должна быть реализована комплексная программа мероприятий, состоящая из нескольких стадий, а именно:
Диагностика (анализ тепловлажностного режима, ренгеноскопический и биологический анализ продуктов коррозии);
Сушка (при необходимости) помещений, если речь идет о подземных сооружениях, например, подвалах;
Устройство отсечной горизонтальной гидроизоляции (при наличии подсоса почвенной влаги);
Очистка, при необходимости, внутренних поверхностей от высолов и продуктов биологической коррозии;
Лечащая обработка противосолевыми и биоцидными препаратами;
Заделка трещин и протечек специальными гидропломбирующими составами и последующая обработка поверхностей защитными гидроизолирующими препаратами;
Производство отделочных работ.
· Воздействие атмосферных осадков: атмосферные осадки, проникая в грунт, превращаются либо в парообразную, либо в гигроскопическую влагу, удерживающуюся в виде молекул на частицах грунта молекулярными илами, либо в пленочную, поверх молекулярной, либо в гравитационную, свободно перемещающуюся в грунте под действием сил тяжести. Гравитационная влага может доходить до грунтовой воды и, сливаясь с ней, повышать ее уровень. Грунтовая вода, в свою очередь, вследствие капиллярного поднятия перемещается вверх на значительную высоту и обводняет верхние слои грунта. В некоторых условиях капиллярная и грунтовая воды могут сливаться и устойчиво обводнять подземные части сооружений, в результате чего усиливается коррозия конструкций, снижается прочность оснований.
· Воздействие отрицательной температуры: некоторые конструкции, например, цокольные части, находятся в зоне переменного увлажнения и периодического замораживания. Отрицательная температура (если она ниже расчетной или не приняты специальные меры для защиты конструкций от увлажнения), приводящая к замерзанию влаги в конструкциях и грунтах оснований, разрушающе действует на здания. При замерзании воды в порах материала объем ее увеличивается, что создает внутренние напряжения, которые все возрастают вследствие сжатия массы самого материала под влиянием охлаждения. Давление льда в замкнутых порах весьма велико – до 20 Па. Разрушение конструкций в результате замораживания происходит только при полном (критическом) влагосодержании, насыщении материала. Вода начинает замерзать у поверхности конструкций, а поэтому разрушение их под воздействием отрицательной температуры начинается с поверхности, особенно с углов и ребер. Максимальный объем льда получается при температуре – 22С о, когда вся вода превращается в лед. Интенсивность замерзания зависит от объема пор. Камни и бетоны с пористостью до 15% выдерживают 100-300 циклов замораживания. Уменьшение пористости, а следовательно, и количество влаги повышает морозостойкость конструкций. Из сказанного следует, что при замерзании разрушаются те конструкции, которые увлажняются. Защитить конструкции от разрушения при отрицательных температурах – это прежде всего защитить их от увлажнения. Промерзание грунтов в основаниях опасно для зданий, построенных на глинистых и пылеватых грунтах, мелко- и средне-зернистых песках, в которых вода по капиллярам и порам поднимается над уровнем грунтовых вод и находится в связанном виде. Повреждения зданий из-за промерзания и выпучивания оснований могут произойти после многих лет и эксплуатации, если будут допущены срезка грунта вокруг них, увлажнение оснований и действие факторов, способствующих их промерзанию.
· Возведение технологических процессов: каждое здание и сооружение проектируется и строится с учетом взаимодействия предусматриваемых в нем процессов; однако из-за неодинаковой стойкости и долговечности материалов конструкций и различного влияния на них среды износ их неравномерен. В первую очередь разрушаются защитные покрытия стен и полы, окна, двери, кровля, затем стены, каркас и фундаменты. Сжатые элементы больших сечений, работающие при статических нагрузках, изнашиваются медленнее, чем изгибаемые и растянутые, тонкостенные, которые работают при динамической нагрузке, в условиях высокой влажности и высокой температуры. Износ конструкций под действием истирания – абразивный износ полов, стен, углов колонн, ступеней лестниц и других конструкций бывает весьма интенсивным и поэтому сильно влияющим на их долговечность. Он происходит под действием, как природных сил (ветров, песчаных бурь), так и вследствие технологических и функциональных процессов, например из-за интенсивного перемещения больших людских потоков в зданиях общественного назначения.
Описание объекта
Таблица 1.1
| Общая характеристика | Насосная станция |
| Год постройки | |
| Общая площадь, м 2 -площадь застройки, м 2 -площадь помещений, м 2 | |
| Высота здания, м | 3,9 |
| Строительный объем, м 3 | 588,6 |
| Этажность | |
| Строительные характеристики | |
| Фундаменты | Монолитный железобетон |
| Стены | Кирпичные |
| Перекрытия | Железобетонные |
| Кровля | Кровля из рулонных материалов |
| Полы | Цементные |
| Дверные проемы | Деревянные |
| Внутренняя отделка | Штукатурка |
| Привлекательность (внешний вид) | Удовлетворительный внешний вид |
| Фактический возраст здания | |
| Нормативный срок службы здания | |
| Остаточный срок эксплуатации | |
| Системы инженерного обеспечения | |
| Теплоснабжение | Центральное |
| Горячее водоснабжение | Центральное |
| Канализация | Центральная |
| Питьевое водоснабжение | Центральное |
| Электроснабжение | Центральное |
| Телефон | - |
| Радио | - |
| Сигнализация: -охранная -пожарная | наличие наличие |
| Внешнее благоустройство | |
| Озеленение | Зеленые насаждения: газон, кустарники |
| Подъездные пути | Асфальтированная дорога, удовлетворительное состояние |
