Виды нагрузок или в чем сила, сопромат?
Знание — сила, а знание сил — залог долгой жизни для человека, замыслившего расчет строительных конструкций.
В данном случае имеются в виду физические силы, а всякие там силы духа, мысли, третьего глаза и тому подобные не рассматриваются. Во всяком случае до тех пор, пока телепаты и экстрасенсы не начнут вместо подъемных механизмов работать на стойках народного хозяйства, силой мысли перемещая панели и плиты перекрытия, а не ложки и стаканы в различных телешоу.
Вот только и с физическими силами далеко не все просто и понятно, как хотелось бы. Для начала все, что нас окружает и даже входит в наш состав, можно представить в виде физических сил, а физические силы принято делить на внешние и внутренние. При этом внешние силы называются нагрузками, а внутренние силы — напряжениями. Причем в зависимости от характера решаемой задачи внешние силы могут рассматриваться как внутренние и наоборот. Делать это относительно легко и незаметно для стороннего наблюдателя позволяет сила мысли, в частности закон равнодействия сил, сформулированный Ньютоном. Смысл этого закона сводится к тому, что сила противодействия равна по значению силе действия и направлена в противоположную сторону. Этот закон позволяет относительно легко составлять и решать уравнения равновесия для системы сил.
Нагрузками — внешними силами — занимается теоретическая механика, а напряжения — внутренние силы — удел теории сопротивления материалов и различных теорий упругости. Впрочем, как я уже говорил, деление сил на внешние и внутренние достаточно условно. Как в исследуемом материале возникают напряжения, как они распределены по длине, ширине и высоте элемента, куда направлены и чему равны — отдельная большая тема, нас же в данном случае интересует, откуда берутся внешние нагрузки, эти самые внутренние напряжения вызывающие.
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.
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.
Сосредоточенные нагрузки
Это силы, площадь приложения которых пренебрежимо мала по сравнению с площадью рассчитываемой конструкции.
Можно сказать, что сосредоточенная нагрузка — это и есть сила, действующая на конструкцию. При этом площадь действия силы не учитывается, а потому измеряется сосредоточенная нагрузка в килограммах или Ньютонах.
Распределенные нагрузки
Это все остальные нагрузки, т.е. силы, распределяющиеся по длине и ширине элемента.
Разнообразие распределенных нагрузок поистине не поддается описанию. Распределенные нагрузки могут равномерно и неравномерно распределенными, равномерно и неравномерно изменяющимися по длине или ширине, при этом характер изменения нагрузки может описываться уравнением параболы, синусоиды, окружности, овала и любым другим уравнением.
А самое примечательное во всем этом то, что один и тот же человек в зависимости от ситуации может рассматриваться и как сосредоточенная нагрузка и как распределенная, и как статическая и как динамическая и только постоянной нагрузкой человек быть не может.
В целом все это выглядит не совсем понятно, однако ничего страшного в этом нет, как говорится, лучше один раз рассчитать конструкцию, чем 100 раз прочитать, как это делается. Примеров расчета на сайте хватает. А кроме того, понимание основ сопромата позволяет в большинстве случаев определять нагрузки так, чтобы максимально упростить расчет.
На этом пока все.
Доступ к полной версии этой статьи и всех остальных статей на данном сайте стоит всего 30 рублей. После успешного завершения перевода откроется страница с благодарностью, адресом электронной почты и продолжением статьи. Если вы хотите задать вопрос по расчету конструкций, пожалуйста, воспользуйтесь этим адресом. Зараннее большое спасибо.)). Если страница не открылась, то скорее всего вы осуществили перевод с другого Яндекс-кошелька, но в любом случае волноваться не надо. Главное, при оформлении перевода точно указать свой e-mail и я обязательно с вами свяжусь. К тому же вы всегда можете добавить свой комментарий. Больше подробностей в статье «Записаться на прием к доктору»
Для терминалов номер Яндекс Кошелька 410012390761783
Номер карты Ymoney 4048 4150 0452 9638 SERGEI GUTOV
Для Украины — номер гривневой карты (Приватбанк) 5168 7422 4128 9630
Примечание: Возможно ваш вопрос, особенно если он касается расчета конструкций, так и не появится в общем списке или останется без ответа, даже если вы задатите его 20 раз подряд. Почему, достаточно подробно объясняется в статье «Записаться на прием к доктору» (ссылка в шапке сайта).
Виды нагрузок и воздействий на здание
Здание подвергается различным нагрузкам и воздействиям.
В ходе проектирования нужно учесть всё, чему здание должно сопротивляться, дабы не терять своих эксплуатационных и прочностных качеств. Нагрузками принято считать внешние механические силы, действующие на здание, а воздействиями — внутренние явления. Для уяснения вопроса проклассифицируем все нагрузки и воздействия по следующим признакам.
По продолжительности действия:
- постоянные — собственная масса конструкции, масса и давление грунта в насыпях или засыпках;
- длительные — масса оборудования, перегородок, мебели, людей, снеговая нагрузка, сюда же относятся воздействия, обусловленные усадкой и ползучестью строительных материалов;
- кратковременные — температурные, ветровые и гололёдные климатические воздействия, а также связанные с изменением влажности, солнечной радиацией;
- особые — нормируемые нагрузки и воздействия (например, сейсмические, при воздействии пожара и пр.).
Среди проектировщиков существует также термин полезная нагрузка, значение которого в нормативных документах не закреплено, но термин бытует в практике строительства. Под полезной нагрузкой подразумевается сумма некоторых временных нагрузок, которые всегда присутствуют в здании: люди, мебель, оборудование. Например, для жилого дома она составляет 150. 200 кг/м 2 (1,5. 2 мПа), а для офисного — 300. 600 кг/м 2 (3. 6 мПа).
По характеру работы:
- статические — собственная масса конструкции, снеговой покров, оборудование;
- динамические — вибрация, порыв ветра.
По месту приложения усилий:
- сосредоточенные — оборудование, мебель;
- равномерно распределённые — масса конструкции, снеговой покров.
По природе воздействия:
- нагрузки силового характера (механические) — это нагрузки, которые вызывают реактивные силы; к этим нагрузкам относятся все выше приведённые примеры;
- воздействия несилового характера:
- перемены температур наружного воздуха, что вызывает линейные температурные деформации конструкций здания;
- потоки парообразной влаги из помещений — влияют на материал наружных ограждений;
- атмосферная и грунтовая влага, химически агрессивное воздействие окружающей среды;
- солнечная радиация;
- электромагнитное излучение, шум и т.п., влияющие на здоровье человека.
Все нагрузки силового характера закладываются в инженерные расчёты. Влияние воздействий несилового характера также обязательно учитывается при проектировании. Посмотрим, например, как температурное воздействие влияет на конструкцию. Дело в том, что под влиянием температуры конструкция стремится сжаться или расшириться, т.е. измениться в размерах. Этому препятствуют другие конструкции, с которыми данная конструкция связана. Следовательно, в тех местах, где конструкции взаимодействуют, возникают реактивные силы, которые нужно воспринять. Также в протяжённых зданиях необходимо предусмотреть зазоры.
Расчётам подвергаются и другие воздействия: расчёт на паропроницание, теплотехнический расчёт и т.д.
Основные типы физических нагрузок в спорте
В этом материале мы попробуем перечислить основные типы физических нагрузок с кратким описанием их особенностей. Материал предназначен для тех, кто только начинает разбираться в специфике спортивной физиологии.
Понятно, что влияние физических нагрузок на организм определяется целым набором факторов – амплитудой, скоростью (интенсивностью) движения, наличием или отсутствием отягощения, количеством и величиной задействованных мышечных групп. Остановимся на основных типах физической нагрузки.
1. Статическая или эксцентрическая нагрузка
Эксцентрическим движением называют движение, при котором мышца не сокращается, а, наоборот, удлиняется. Обычно это упражнения с сопротивлением или негативная фаза движения. Например, при сгибании рук на бицепс со штангой мышца сокращается, а при разгибании рук (обратная фаза) с той же штангой – статическая нагрузка.
Статической нагрузкой соответственно называют физической упражнение, которое фиксирует положение тела под нагрузкой без совершения движения.
Статические позы выполняемые с усилием: позы йоги, планка всех видов, стойки в боевых искусствах, обратные движения со штангой (с акцентом на обратные фазы), скалолазание на трудность, болдеринг, и т.п.
- Необходимо отметить, что именно этот тип физических нагрузок вызывает так называемую крепатуру мышц – боль в течение 1-3 дней после физической нагрузки.
- Обратная фаза движения может выполняться и при большом числе повторений, так, например, упражнения «спуск по лестнице» могут вызвать жуткую крепатуру. Те, кто тренируется на тренажерах или на ровной поверхности, а потом выходят на соревнования по трейлраннингу – могут в полной мере оценить этот эффект.
- Физические нагрузки статичсекого и эксцентрического характера развивают силу, но не ведут к значительному увеличению мышечной массы.
- Большую роль в тяжелых упражнениях такого типа играет креатинин-фосфатная реакция – о ней подробнее ниже.
СОВЕТ. Включать статические упражнения и обратные как минимум в объеме – 5-10% от тренировочного времени, вне зависимости от вида спорта, которым вы занимаетесь (за исключением марафонов и очень длительных активностей).
2. Развитие максимальной силы
Повторения с большими (75-100%) от максимально возможного весами на 1-5 раз. Физические нагрузки такого типа являются основой для скоростно-силовых видов спорта – пауэрлифтинг и другие виды тяжелой атлетики, скалолазание.
ПРИМЕРЫ УПРАЖНЕНИЙ. Особенно эффективна эта методика тренинга для крупных мышечных групп и соответственно базовых тяжелоатлетических упражнений с большими весами: приседания со штангой на плечах, становая тяга, жим лежа, швунги из-за головы, тяга штанги в наклоне, рывок штанги в сет и т.п.
- Основной механизм обеспечения таких спортивных нагрузок – максимально быстрое использование АТФ в мышечных волокнах, большую роль в которых играет креатин-фосфат, креатин-фосфатные реакции. Поэтому в рацион питания при активной физической деятельности такого типа имеет смысл включить эту пищевую добавку, как минимум 1-3 грамма непосредственно перед тренировкой.
- Рост мышц при таких физических нагрузках будет заметен (при нормальном высокоуглеводном и высокобелковом) питании, но гораздо меньше, чем делать по 8-16 повторений с меньшими весами. Силовые тренировки не приводят к росту собственной массы. Кажется, что этот тип тренинга актуален для альпинистов и скалолазов, которым периодически приходится выполнять высокоамплитудные силовые движения.
- Для больших мышечных групп требуется большой период восстановления – как минимум 4 дня между силовыми тренировками.
- Между подходами также отдых должен быть значителен – 3-5 мин. Это нужно для того, что уровень креатинин-фосфата успевал восстановиться
- Имеет смысл включать в тренировки альпинистов и большинства спортсменов
3. Гипертрофия скелетной мускулатуры
Физические нагрузки, выполняемые в течение 1-1,5 мин. с отягощением, позволяющим выполнить 8-16 повторений. При правильном питании это наиболее эффективный способ нарастить мышечную массу, что особенно активно применяется в бодибилдинге. Другое дело, что физические нагрузки такого типа редко встречаются в обычной жизни и видах спорта, отличных от бодибилдинга и особенного эффекта с точки зрения функциональных возможностей от этих упражнений, нет.
ПРИМЕРЫ УПРАЖНЕНИЙ: вся современная система бодибилдинга (родоначальником которой является Джо Вейдер — тренер чемпионов (с) ) со множеством как базовых (приседания, жимы, тяги со свободными весами), так и изолированных (по заданной траектории на тренажерах) физических упражнений.
- Физическая нагрузка такого типа приводит к стимулированию гормонального обмена и выработке в первую очередь тестостерона, поэтому после таких тренировок улучшается самочувствие, настроение, желаний жить, чего трудно достигнуть, например, при марафонском беге.
- Это наиболее простой путь к достижению атлетического сложения, но только при условии правильного питания. Бодибилдеры обычно чередуют периоды «набора массы» и «сушки», характер физических нагрузок при которых радикально отличается.
- Эти упражнения могут разогнать пульс (Частоту Сердечных Сокращений, сокращенно ЧСС) до 120-130 уд/мин, характер нагрузки аэробный (без существенного потребления кислорода)
- В процессе выполнения упражнения происходит закисление организма, когда выработка лактата (молочной кислоты) в мышцах превышает его потребление – спортсмен чувствует ощущение жжения в мышцах и общую усталость
4. Анаэробная функциональная нагрузка
Принято считать, что максимальным ЧСС можно считать величину равную 220-возраст спортмена. Т.е. если спортсмену 35, то его максимальный ЧСС=220-35=185. Конечно, все зависит от уровня адаптации к физическим нагрузкам и индивидуальных особенностей, но для начального уровня вполне можно принять эту формулу. Существует целый ряд методик опредедения ЧССмакс и ПАНО (анаэробного порога), но на начальном уровне вышеописанной формулы вполне достаточно.
Анаэробной (ну т.е. анаэробно-аэробной) считают физическую нагрузку от циклических упражнений (одно движение выполняется много раз, типа бега) на ЧСС= 80-95% от ЧСС макс. Примерно на пульсе 170-175 уд/мин.
Вышеописанные типы спортивной нагрузки являются анаэробными, однако и циклические виды спорта (когда одно движение повторяется много раз – бег, плавание, лажи, велосипед, конькобежный спорт) позволяют добиться анаэробной нагрузки при выполнении их на большой скорости с большой амплитудой.
ПРИМЕРЫ: скоростной бег от 100 м до 3 км на скорости близкой к максимальной, другие циклические нагрузки продолжительностью 0,5-15 мин.
- Нагрузки такого типа трудны для выполнения и не рекомендуются начинающим;
- Физическая актвиность на анаэробном пороге требует длительного периода восстановления между тренировками, для спортсменов любителей – это должно быть мин 2-4 дня.
- Тренированность такого типа «спадает» быстрее всего, поэтому обычно акцент функциональных анаэробных физических нагрузках особенно актуален в предсоревновательный период. В периоды базового тренинга лучше сконцентрироваться с одной стороны на аэробных нагрузках, а с другой стороны на силовой базе.
5. Черная дыра в тренинге
Физическая нагрузка, обычно циклического типа, на ЧСС на уровне от 75 до 85% от максимальной (условно от 150 до 170) является «черной дырой» в тренинге, т.е. по сути неэффектвиной тратой времени. Дело в том, что при таком пульсе уже включается эффективый гликолитический обмен (расходуется гликоген, запасенный в мышцах и печени спортсмена), а расходование жиров (т.н. липидный обмен) сокращается, но при этом и для полноценного функционального тренинга этого мало. При этом ощущения спортсмена таковы: с одной стороны от чувствует, что «тренируется», с другой стороны, ему «терпимо тяжело». Именно поэтому большинство неопытных спортсменов любителей тратят на эту физическую активность максимум своего времени, а это очень неэффективно с точки зрения результата.
Нужно либо проводить длинные тренировке на более низком пульсе, что укреплять капиллярную систему и развивать липидный обмен, либо наоборот уходить в более высокие пульсовые зоны или силовую физическую активность.
6. Аэробная циклическая нагрузка
Аэробная физическая нагрузка до уровня 65-70% от ЧСС (+-130 уд/мин) для средних людей и спортсменов любителей считается легкой и может выполняться долго (больше часа) – применяется спортсменами для восстановления и для начинающих.
Нагрузка же в диапазоне 70-75% от ЧСС максимального (+-140 уд/мин) является максимально эффективной для развития аэробной базы, т.е. способности организма выполнять физические нагрузки с максимальным потреблением кислорода.