ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ТЕЛО. КЛАССИФИКАЦИЯ НАГРУЗОК

Сооружения, конструкции и их элементы испытывают в процессе возведения и эксплуатации внешние воздействия, в том числе силовые воздействия от нагрузок, а также от изменения температуры, смещения опор, усадки и других подобных явлений, вызывающих реактивные силы.

Рис. 1.9

Нагрузки классифицируют по разным признакам. По способу приложения они могут быть объемными или поверхностными. Объемные силы непрерывно распределены по всему объему, занимаемому элементом. К их числу относятся, например, силы тяжести и инерции. Нагрузка у, приходящаяся на единицу объема, называется интенсивностью объемной нагрузки (рис. 1.9). Эта векторная величина выражается в единицах силы, отнесенных к единице объема (Н/м³, кН/м³ и т.д.).

Если внешние силы являются результатом непосредственного взаимодействия элемента с другими телами (твердыми, жидкими или газообразными), то они прикладываются только по площадкам контакта и называются поверхностными. Сюда относятся: давление жидкости или газа на стенки сосуда, снеговая нагрузка на кровлю здания, ветровая нагрузка на стену и др. Давление должно выражаться в единицах силы, отнесенных к единице площади (Н/м^{1 [1] [2], кН/м[2] и т.д.). Однако в Международной системе единиц (СИ) введена специальная производная единица — паскаль1 Па = 1 Н/м[2], поэтому интенсивность поверхностной нагрузки р логично также выражать в паскалях и кратных ему единицах (кПа, МПа), но это не всегда удобно.}

Поскольку соприкасание реальных, т.е. деформируемых, тел всегда происходит не в точке, а по некоторой, пусть даже очень малой, площадке, все поверхностные нагрузки являются распределенными. Однако в тех случаях, когда площадка контакта пренебрежимо мала по сравнению с размерами нагружаемого элемента, вводят понятие сосредоточенной силы^[2] F как равнодействующей давления р по указанной площадке (например, сила, обусловленная давлением обода колеса на рельс (рис. 1.10)).

Рис. 1.10

В практических расчетах часто встречается нагрузка, распределенная по длине элемента конструкции. Например, на каждую промежуточную балку перекрытия здания (рис. 1.11, я) приходится полоса поверхностной нагрузки р шириной а (рис. 1.11, б). Интенсивность нагрузки, распределенной по длине балки (рис. 1.11, в),

выражается в единицах силы, отнесенных к единице длины (Н/м, кН/м и т.д.).

В рассматриваемом случае интенсивность постоянна по длине, поэтому нагрузка называется равномерно распределенной и графически изображается в виде прямоугольника. Однако интенсивность может быть переменной, и тогда нагрузка распределяется по более сложному закону: треугольному (например, при гидростатическом давлении — давлении покоящейся жидкости), трапецеидальному (нагрузка от собственного веса двускатных и односкатных балок), синусоидальному (нагрузка от ветрового напора на элементы типа оболочек) и т.п.

Рис. 1.11

В процессе расчетной схематизации реальные нагрузки не всегда могут быть сведены лишь к сосредоточенным и распределенным силовым воздействиям. Возможны и моментные воздействия в виде сосредоточенных моментов и моментов, распределенных по длине элемента или его поверхности. На рис. 1.12 показано, как появляются сосредоточенные моменты т_и т₂ и т₃ в результате замены бруса его продольной осью и приведения к ней поверхностных сил F, F₂ и F₃, приложенных в плоскости чертежа. Сосредоточенные моменты выражаются в единицах силы, умноженных на единицу длины (Н • м, кН • м и т.д.).

По характеру изменения в процессе приложения нагрузки подразделяются на статические, динамические и повторно-переменные. К статическим относятся нагрузки, не изменяющиеся со временем (например, нагрузка от собственного веса) или изменяющиеся настолько медленно, что вызываемые ими ускорения и силы инерции элементов конструкции пренебрежимо малы (например, снеговая нагрузка).

Динамические нагрузки в отличие от статических меняют свое значение, положение или направление в короткие промежутки времени (движущиеся нагрузки, ударные, сейсмические и др.), вызывая большие ускорения и силы инерции, что приводит к колебаниям конструкций и сооружений.

Повторно-переменными называются нагрузки, многократно (до нескольких миллионов раз) изменяющие со временем значение или значение и знак. Разрушение материала под действием таких нагрузок называется усталостным (например, разрушение куска проволоки от многократного перегибания, рис. 1.13), а способность противостоять ему — сопротивлением усталости.

В технической механике рассматривается в основном статическое приложение нагрузок. Наиболее характерным динамическим задачам и прочности при переменном нагружении посвящена гл. 11.

По продолжительности действия нагрузки подразделяют на постоянные и временные. К постоянным относятся нагрузки, действующие в течение всего времени существования конструкции или сооружения (например, вес несущих и ограждающих конструкций, вес и давление грунта).

Рис. 1.13

Рис. 1.12

Временные нагрузки действуют на протяжении отдельных периодов эксплуатации или возведения объекта. В их число входят нагрузки от веса людей, материалов и оборудования; давление жидкостей, газов и сыпучих материалов в сосудах и трубопроводах; атмосферные нагрузки (снеговая, ветровая, гололедная); температурные, монтажные, сейсмические, взрывные, аварийные и прочие воздействия ограниченной продолжительности.

• [1] В честь французского математика и физика Блеза Паскаля (В. Pascal, 1623—1662).
• [2] В теоретической механике понятие сосредоточенной силы являетсястрогим, поскольку там рассматриваются недеформируемые тела.
• [3] В теоретической механике понятие сосредоточенной силы являетсястрогим, поскольку там рассматриваются недеформируемые тела.
• [4] В теоретической механике понятие сосредоточенной силы являетсястрогим, поскольку там рассматриваются недеформируемые тела.
• [5] В теоретической механике понятие сосредоточенной силы являетсястрогим, поскольку там рассматриваются недеформируемые тела.