Нагрузки и воздействия

Методы оценки нагрузок и воздействий на природно-технические системы

Нормативный (детерминированный) подход

Детерминированный расчет нагрузок и воздействий должен выполняться в соответствии с СП 20.13330.2011 "СПиП 2.01.07-85* "Нагрузки и воздействия". Данный метод расчета основан на концепции предельных состояний.

Нагрузки и воздействия передаваемые на фундаменты и основания устанавливаются расчетом, при этом, как правило, учитывается совместная работа системы основание-фундамент-конструкция.

Нагрузки и воздействия, их характер перераспределения зависит от свойств грунтов основания, их состава, характера напластования в массиве, конструктивной системы здания, его пространственной жесткости и многого другого.

Не капитальные здания или сооружения, при расчете нагрузок и воздействий, можно рассчитывать без учета совместной работы оснований, фундаментов и конструкций. К таким случаям относятся:

Расчет оснований зданий и сооружений III-го уровня ответственности;
Общей устойчивости массива грунта основания совместно с рассматриваемым сооружением;
Незначительных значений деформаций оснований.

При определении нагрузок и воздействий устанавливают их расчетные значения, которые определяются умножением нормативных значений на коэффициент надежности по нагрузке γ_f. Эти коэффициенты устанавливают на основе статистических обработок различных совокупностей, которые учитывают различные отклонения в неблагоприятную сторону. Так нормативами установлены следующие значения γ_f:

Для грунтов в природном залегании γ_f=1.1;
Для насыпных грунтов γ_f=1.15.

Конечно же, всегда нужно обращать внимание на характер взаимодействия конструкции с грунтов и с осторожностью применять вышеуказанные данные. Так, при проверке конструкции против опрокидывания или всплытия, следует производить расчет принимая для веса конструкции или ее части коэффициент надежности по нагрузке γ_f=0.9.

Также коэфициент γ_f необходимо использовать дифференцировано в зависимости от вида грунта, например скальные, полускальные или осадочные, а также от их состояния. Эти коэффициенты учитывают возможную изменчивость объемного веса грунта.

При расчете оснований и фундаментов учитываются различные сочетания нагрузок. При расчетах по деформациям принимают основное сочетание, а при расчетах по несущей способности учитывают основное и особое сочетания.

По времени действия нагрузки разделяются на:

постоянные нагрузки;
длительные нагрузки;
кратковременные нагрузки.

См. Практический расчет нагрузок и воздействий

Важное отличие в геотехнических расчетах, то, что при расчетах оснований и фундаментов зданий обязательно требуется учет нагрузок и воздействий от окружающей среды и окружающей застройки.

Результаты расчетов нагрузок и воздействий, в соответствии с нормами и правилами, всегда должны быть представлены в проектной документации (проект фундамента), и являются элементом пристального внимания при прохождении экспертизы.

Стохастический подход

Метод предельных состояний является лишь частным случаем теории надежности механических систем. Надежность конструктивных и геотехнических систем, а также отдельных элементов невозможно оценить, пренебрегая вероятностными законами распределения внешних нагрузок и воздействий. Если надежность конструкций, работающих под статической нагрузкой в нормальных условиях, может быть очень высокой, то обеспеченность тех же параметров системы в условиях агрессивной среды или сейсмического воздействия может быть существенно снижена. Параметры функции нагрузок и воздействий зависят от природы воздействия, от времени, от места расположения, и от других факторов, которые по своей сути являются случайными величинами. Это означает, что в действительности функции нагрузок и воздействий представляют собой сложные стохастические процессы постоянно изменяющиеся в структурах многомерных случайных полей. Описание, моделирование и расчет таких процессов является комплексной задачей, которая очевидно не может быть решена без развития численных методов. Сложность априорной оценки и анализа является характерной особенностью при моделировании случайных функций нагрузок и воздействий – т.е. если элементы стохастических функций сопротивления (например физико-механические параметры) могут быть подвергнуты непосредственным исследованиям (полевым, лабораторным), и даже технологическому проектированию (металлургия, петрургия и пр.), то с вероятностными функциями нагрузок и воздействий зачастую такой определенности просто нет. Поэтому данные функции по праву могут считаться наиболее существенным фактором неопределенности изучаемых конструктивных и геотехнических систем. Сильная зависимость конечного расчетного результата от правильного учета многопараметрических функций воздействий предопределяет особую необходимость к изучению стохастической природы нагрузок и воздействий.

Необходимо понимать, что действующие нормы в строительстве также регламентируют необходимость расчета инженерных систем на основе вероятностно-статистической теории.

ГОСТ 27751-2014 "Надежность строительных конструкций и оснований" рекомендует применять вероятностно-статистические методы для обоснования нормативных и расчетных характеристик материалов и оснований, нагрузок и коэффициентов сочетаний.

Одной из существенных проблем использования стохастических параметров нагрузок и воздействий является чрезвычайно малое количество наблюдений и широкий разброс исходной информации как о параметрах нагрузок так и об их вероятностной природе. Переменные нагрузки и воздействия могут являться дискретными, непрерывными или смешанными процессами со сложными эмпирическими функциями распределений, см. рисунок.

функции нагрузок

Нагрузки и воздействия, которые могут быть дискретными и непрерывными, характеризуются случайной природой описание которой может быть произведено с помощью различных аспектов и количественных параметров, которые в конечном счете могут быть сведены к трем базовым кластерам функций распределения случайных величин: временные, пространственные функции и функции интенсивности.

Временные функции распределения направлены на определение моментов возникновения и продолжительности воздействий. Данные функции позволяют решать краевые задачи по комбинациям различных воздействий, т.е. определять функции сочетаний.
Пространственные функции позволяют определять геометрические координаты нагрузок и воздействий.
Распределение интенсивности нагрузок и воздействий также имеет стохастическую природу, которая может быть описана различными линейными и нелинейными по форме функциями.

Существенным фактором в исследованиях нагрузок и воздействий является происхождение (природа) воздействий. При изучении кратковременных (полезных) нагрузок установлено, что значения кратковременных нагрузок изменяются не только от назначения помещения (которое кстати, тоже может не быть окончательно определено на этапе проектирования и изменяться в период эксплуатации), но также и от количества находящихся в нем людей, мебели, оборудования, от сроков эксплуатации помещений (количество резких перепадов интенсивности нагрузки зависит от рассматриваемого диапазона времени), от размера помещения, от других случайных факторов (случайное скопление людей по случаю праздников, годовщин и пр.). Интенсивность длительных нагрузок может существенно изменяться в периоды ремонтов или переоборудования производств. Постоянные нагрузки существенно зависят от качества используемых материалов, а также культуры производства работ.

Например, плотность железобетонных конструкций изготовленных на заводах имеет меньшие значения изменчивости, по сравнению с конструкциями изготовленными на строительной площадке.

Вероятность возникновения того или иного воздействия всегда связана с функцией времени, см. рисунок. функция нагрузок от времени Например, длина отрезка времени будет влиять на количественное значение вероятности появления воздействия, т.е. физические процессы окружающей среды (скорость воздушных масс, градиент температур, мощность осадков, колебания подземных уровней грунтовых вод и пр.) имеют различные значения вероятности возникновения на различных отрезках времени.

Целью стохастического расчета нагрузок является определение интегральной функции распределения нагрузок и воздействий, а также ее вероятностных (расчетных) параметров. При этом возможно решение прикладных задач, например, по оценке (калибровке) коэффициентов надежности, для сопоставления и анализа и для дальнейшего применения в рамках теории предельных состояний. интегральная функция нагрузок

Более полную информацию по расчету нагрузок и воздействий вы можете получить позвонив нам по телефону + 7 (499) 350-23-58, или оставив заявку по форме или по электронной почте.

Услуги проектно-конструкторского бюро

< Назад