Внешние нагрузки и воздействия на здания. Внешние и внутренние нагрузки и воздействия на отдельные конструктивные элементы и здание в целом. К несиловым воздействиям относят

→ 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.

А.Е.Сутягин 2017г

Здания (жилище) - часть культуры человека. Искусственный артефакт. Появляются вместе с человеком. Элемент очеловечивания природы.
Предназначение здания, как такового - защищать человека, человеческий организм, его здоровье от влияния природы, от влияния внешних природных) факторов. А также создавать пригодную среду обитания невзирая на внешние климатические воздействия.

Любое здание состоит, прежде всего, из конструкций, выполненных из того или иного материала. а также из различного рода инженерных систем предназначенных для комфортной среды и удовлетворении основных физиологических потребностей людей.

Определение понятий - здание и сооружение.
Здание - предназначено для постоянного пребывания людей.
Сооружение - не предназначено для постоянного пребывания людей. Необходимо для осуществления специфических технологических задач.

Составные части здания (конструкции).
Фундамент - передача нагрузки от всего здания на естественное основание (грунт). (“Корень здания”).
Стены - защита от ветровых и тепловых воздействий.
Каркас - скелет здания.
Перекрытия - восприятие нагрузки, от находящихся в здании людей, мебели и оборудования.
Кровля - защита здания от атмосферных осадков (снег, дождь), солнечных лучей, тепловых воздействий.

Количество видов и типов частей здания настолько разнообразно и сильно зависит от назначения здания. В рамках данной статьи остановимся на основных моментах.

Конструкции здания подразделяются на несущие и ограждающие конструкции.
Несущие конструкции - воспринимают силовые воздействия от других частей здания и подвижной нагрузки (людей) и передают их на основание (через фундаменты). Параметры несущих конструкций назначаются только на основании специализированных расчетов.
Ограждающие конструкции (ненесущие) - конструкции предназначенные для защиты людей от внешних факторов и обеспечивающие нормальное функционирования здания согласно назначению здания. Например окна и двери.
Ограждающие конструкции первыми воспринимают силовые воздействия и передают их на несущие конструкции. Четкой градации между этими конструкция провести затруднительно. Обычно в зданиях (особенно в прошлом) те или иные конструкции могут сочетать функции несущих и ограждающих конструкций.
Например, кирпичная кладка много веков - это и защита от тепловых воздействий и хороший несущий элемент.
В индустриальных зданиях стараются разделить эти функции. (Например каркас и сендвич-панели).

Здания и сооружения должны сопротивляться (выдерживать) требуемым нормативными документами нагрузкам и воздействиям.

Статья 7 Федерального закона N 384-ФЗ "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений" вводит понятие механической безопасности здания или сооружения, а именно:

"Строительные конструкции и основание здания или сооружения должны обладать такой прочностью и устойчивостью, чтобы в процессе строительства и эксплуатации не возникало угрозы причинения вреда жизни или здоровью людей, имуществу физических или юридических лиц, государственному или муниципальному имуществу, окружающей среде, жизни и здоровью животных и растений в результате:

1) разрушения отдельных несущих строительных конструкций или их частей;

2) разрушения всего здания, сооружения или их части;

3) деформации недопустимой величины строительных конструкций, основания здания или сооружения и геологических массивов прилегающей территории;

4) повреждения части здания или сооружения, сетей инженерно-технического обеспечения или систем инженерно-технического обеспечения в результате деформации, перемещений либо потери устойчивости несущих строительных конструкций, в том числе отклонений от вертикальности."

Нагрузки и воздействия.

Нагрузки - то что непосредственно оказывают силовые воздействия на элемент конструкции. Воздействия - то что вызывает (опосредованно) в конструкциях внутренние усилия или деформации.

Нагрузки от веса несущих и ограждающих конструкций (статические)
. Атмосферные нагрузки (динамические)
.. снеговая
.. дождевая
.. ветровая (квазистатические и динамические)
.. гололедная
.. температурная (воздействие)
.. ледовая
.. волновая (штормовая)
.. магнитная и электромагнитная
и другие.
. Воздействия смещений земной коры
.. сейсмическая (тектоническая)
.. просадочная (в результате замачивания грунтов)
.. влияние горных выработок
.. влияние карстово-суффозионных процессов
.. Аварийные (особые)
.. пожар (обрушение и тепловое воздействие)
.. столкновение с транспортным средством)
.. взрывное
.. обрушение частей здания
.. Нагрузки от редких природных факторов
.. ураганы
.. смерчи
.. цунами
и др.

Полезные нагрузки (для чего собственно и проектируется здание)

Нагрузки от веса людей (“живая” нагрузка) (квазистатическая)
. нагрузки от мебели и бытового оборудования (квазистатическая)
. Технологические нагрузки (производство)
. Вес и динамические воздействия производственного оборудования.
. Крановые нагрузки
. Нагрузки от внутрицехового транспорта
. Нагрузки от лифтов (и тп.).
. Температурные технологические нагрузки
. Повышенное давление (вакуум)
. Технологические нагрузки на сооружения (мосты, кран, дамбы, плотины, аэродромы и т.д.)

По характеру воздействия нагрузки делятся на
. кратковременные (многократно-повторяющиеся или эпизодические)
. длительные
. постоянные

С точки зрения: вызывают ли нагрузки динамические усилия в конструкциях.
. статические
. квазистатические
. динамические (пульсационные, ударные, периодические и т.)

Расчетное и эксплуатационное значение нагрузки. При проектировании несущих конструкции для разных видов расчетов используют несколько значений одной и той же нагрузки. Как минимум Расчетное значение (повышенное) и нормативное значение (эксплуатационное).

Сочетание нагрузок. Каждая нагрузка для расчета элемента здания может и нагружать этот элемент и разгружать этот элемент. Поэтому в расчете используется определенное сочетание нагрузок, а именно такое, которое максимально нагружает рассчитываемый элемент здания.

Надо понимать, что величина нагрузки (как полезной, так и природной) носить случайный ("волатильный") характер. В нормативной документации определяется максимальная величина нагрузки превышение, которой маловероятно (хотя и возможно) в течении всего срока эксплуатации здания (70-150 лет).

Ввиду этого, для сооружений повышенного уровня ответственности (и, соответственно, большего срока эксплуатации) вводится повышающие коэффициенты, на которые умножаются "базовые" значения нагрузок. (коэффициент надежности по ответственности здания от 1,1 до 1,2).

Подробнее о значении тех или иных видов нагрузок см. список прилагаемой литературы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Федеральный закон от 30 декабря 2009 г. N 384-ФЗ "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений".

2. ГОСТ 27751-2014 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения.

3. СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85.

4. Нагрузки и воздействия на здания и сооружения. В.Н.Гордеев, А.И.Лантух-Лященко, В.А. Пашинский, А.В.Перельмутер, С.Ф.Пичугин; под. общей ред. А.В.Перельмутера. 3-е изд., перераб. - М.: Издательство С, 2009г.

Предполагается, что все опорные точки конструкции движутся поступательно по одинаковому закону Х 0 = XJ ()

При землетрясении грунты основания здания приходят в движение, что показано на рисунке 14.

При этом на каждую единицу объема сооружения действует инерционная сила, зависящая от сосредоточенных в этих объемах инерционных параметров - масс и жест- костных характеристик сооружения. Эти инерционные силы называются сейсмическими силами или сейсмическими нагрузками и приводят сооружение в напряженно- деформированное состояние.

Рассмотрим основные подходы, позволяющие определить такие важные параметры, как жесткость, собственную частоту и формы колебаний сооружения. Наиболее просто выбрать в качестве модели здания линейный осциллятор, воздействие на который моделируется горизонтальным перемещением основания по заданному закону X Q = X 0 (t), а система имеет одну степень свободы, определяемую горизонтальным перемещением сосредоточенной массы т (рис. 15).

Таким образом, полное перемещение Х 0 (0 массы т в любой момент времени складывается из «переносного» перемещения Xj(t) и относительного перемещения, вызванного изгибом стержня X 2 (t):

Составим уравнение движения, используя метод перемещений, ибо нас интересует значение восстанавливающей силы (силы упругости), равной

Расчетная схема линейного осциллятора

где -перемещение Х т массы в горизонтальном

направлении, вызванное действием единичной силы - жесткость линейного осциллятора.

Уравнение равновесия массы будет

Тогда с учетом:

где со 2 - частота собственных колебаний осциллятора, получаем уравнение движения, в котором параметром, определяющим колебательную систему, является частота собственных колебаний этой системы:

Сейсмические нагрузки могут действовать в любом направлении, поэтому для реальных зданий и сооружений уравнения, определяющие их движение при сейсмической нагрузке, весьма громоздки, однако при этом система характеризуется все той же частотой собственных колебаний.

Если обобщить задачу сейсмостойкого строительства, то с точки зрения выведенных уравнений она состоит в выявлении тех конструкций, которые являются наименее прочными и жесткими, и соответственно в увеличении их прочности (сейсмоусиление) или снижении нагрузки на них (сейсмоизоляция).

В современных нормативных документах изложены общие требования по обеспечению механической безопасности зданий и сооружений. Так, в ч. 6 ст. 15 Федерального закона № 384 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» выдвинуты требования о том, что «в процессе строительства и эксплуатации здания или сооружения его строительные конструкции и основание не достигнут предельного состояния по прочности и устойчивости... при вариантах одновременного действия нагрузок и воздействий».

За предельное состояние строительных конструкций и основания по прочности и устойчивости должно быть принято состояние, характеризующееся:

• разрушением любого характера;
• потерей устойчивости формы;
• потерей устойчивости положения;
• нарушением эксплуатационной пригодности и иными явлениями, связанными с угрозой причинения вреда жизни и здоровью людей, имуществу физических или юридических лиц, государственному или муниципальному имуществу, окружающей среде, жизни и здоровью животных и растений.

В расчетах строительных конструкций и основания должны быть учтены все виды нагрузок, соответствующих функциональному назначению и конструктивному решению здания или сооружения, климатические, а в необходимых случаях технологические воздействия, а также усилия, вызываемые деформацией строительных конструкций и основания.

Здание или сооружение на территории, на которой возможно проявление опасных природных процессов и явлений и (или) техногенных воздействий, должно быть спроектировано и построено таким образом, чтобы в процессе эксплуатации здания или сооружения опасные природные процессы и явления и (или) техногенные воздействия не вызывали последствий, указанных в ст. 7 Федерального закона № 384 , и (или) иных событий, создающих угрозу причинения вреда жизни или здоровью людей, имуществу физических или юридических лиц, государственному или муниципальному имуществу, окружающей среде, жизни и здоровью животных и растений.

Для элементов строительных конструкций, характеристики которых, учтенные в расчетах прочности и устойчивости здания или сооружения, могут изменяться в процессе эксплуатации под воздействием климатических факторов или агрессивных факторов наружной и внутренней среды, в том числе под воздействием сейсмических процессов, которые могут вызывать усталостные явления в материале строительных конструкций, в проектной документации должны быть дополнительно указаны параметры, характеризующие сопротивление таким воздействиям, или мероприятия по защите от них.

При оценке последствий землетрясения используется классификация зданий, приведенная в сейсмической шкале MMSK - 86 . В соответствии с этой шкалой здания разделяются на две группы:

• 1) здания и типовые сооружения без антисейсмических мероприятий;
• 2) здания и типовые сооружения с антисейсмическими мероприятиями.

Здания и типовые сооружения без антисейсмических мероприятий разделяют на типы.

А1 - местные здания. Здания со стенами из местных строительных материалов: глинобитные без каркаса; саманные или из сырцового кирпича без фундамента; выполненные из скатанного или рваного камня на глиняном растворе и без регулярной (из кирпича или камня правильной формы) кладки в углах ит.п.

А2 - местные здания. Здания из самана или сырцового кирпича, с каменными, кирпичными или бетонными фундаментами; выполненные из рваного камня на известковом, цементном или сложном растворе с регулярной кладкой в углах; выполненные из пластового камня на известковом, цементном или сложном растворе; выполненные из кладки типа «мидис»; здания с деревянным каркасом с заполнением из самана или глины, с тяжелыми земляными или глиняными крышами; сплошные массивные ограды из самана или сырцового кирпича и т. п.

Б - местные здания. Здания с деревянными каркасами с заполнителями из самана или глины и легкими перекрытиями:

• 1) Б1 - типовые здания. Здания из жженого кирпича, тесаного камня или бетонных блоков на известковом, цементном или сложном растворе; деревянные щитовые дома;
• 2) Б2 - сооружения из жженого кирпича, тесаного камня или бетонных блоков на известковом, цементном или сложном растворе: сплошные ограды и стенки, трансформаторные киоски, силосные и водонапорные башни.

В - местные здания. Деревянные дома, рубленные в «лапу» или в «обло»:

• 1) В1 - типовые здания. Железобетонные, каркасные крупнопанельные и армированные крупноблочные дома;
• 2) В2 - сооружения. Железобетонные сооружения: силосные и водонапорные башни, маяки, подпорные стенки, бассейны и т. п.

Здания и типовые сооружения с антисейсмическими мероприятиями разделяются на типы:

• 1) С 7 - типовые здания и сооружения всех видов (кирпичные, блочные, панельные, бетонные, деревянные, щитовые и др.) с антисейсмическими мероприятиями для расчетной сейсмичности 7 баллов;
• 2) С8 - типовые здания и сооружения всех видов с антисейсмическими мероприятиями для расчетной сейсмичности 8 баллов;
• 3) С9 - типовые здания и сооружения всех видов с антисейсмическими мероприятиями для расчетной сейсмичности 9 баллов.

При сочетании в одном здании двух или трех типов здание в целом следует относить к слабейшему из них.

При землетрясениях принято рассматривать пять степеней разрушения зданий. В международной модифицированной сейсмической шкале MMSK-86 предлагается следующая классификация степеней разрушения зданий:

• 1) d = 1 - слабые повреждения. Слабые повреждения материала и неконструктивных элементов здания: тонкие трещины в штукатурке; откалывание небольших кусков штукатурки; тонкие трещины в сопряжениях перекрытий со стенами и стенового заполнения с элементами каркаса, между панелями, в разделке печей и дверных коробок; тонкие трещины в перегородках, карнизах, фронтонах, трубах. Видимые повреждения конструктивных элементов отсутствуют. Для ликвидации повреждений достаточно текущего ремонта зданий;
• 2) d = 2 - умеренные повреждения. Значительные повреждения материала и неконструктивных элементов здания, падение пластов штукатурки, сквозные трещины в перегородках, глубокие трещины в карнизах и фронтонах, выпадение кирпичей из дымовых труб, падение отдельных черепиц. Слабые повреждения несущих конструкций: тонкие трещины в несущих стенах; незначительные деформации и небольшие отколы бетона или раствора в узлах каркаса и стыках панелей. Для ликвидации повреждений необходим капитальный ремонт зданий;
• 3) d = 3 - тяжелые повреждения. Разрушения неконструктивных элементов здания: обвалы частей перегородок, карнизов, фронтонов, дымовых труб; значительные повреждения несущих конструкций: сквозные трещины в несущих стенах; значительные деформации каркаса; заметные сдвиги панелей; выкрашивание бетона в узлах каркаса. Возможен восстановительный ремонт здания;
• 4) d = 4 - частичные разрушения несущих конструкций: проломы и вывалы в несущих стенах; развалы стыков и узлов каркаса; нарушение связей между частями здания; обрушение отдельных панелей перекрытия; обрушение крупных частей здания. Здание подлежит сносу;
• 5) d = 5 - обвалы. Обрушение несущих стен и перекрытия, полное обрушение здания с потерей его формы.

Анализируя последствия землетрясений, можно выделить следующие основные повреждения, которые получили здания различной конструктивной схемы, если сейсмические воздействия превосходили расчетные.

В каркасных зданиях преимущественно разрушаются узлы каркаса вследствие возникновения в этих местах значительных изгибающих моментов и поперечных сил. Особенно сильные повреждение получают основания стоек и узлы соединения ригелей со стойками каркаса (рис. 16а).

В крупнопанельных и крупноблочных зданиях наиболее часто разрушаются стыковые соединения панелей и блоков между собой и с перекрытиями. При этом наблюдается взаимное смещение панелей, раскрытие вертикальных стыков, отклонение панелей от первоначального положения, а в некоторых случаях обрушение панелей (рис. 160).

Для зданий с несущими стенами из местных материалов (сырцовый кирпич, глиносаманные блоки, туфовые блоки и др.) характерны следующие повреждения: появление трещин в стенах (рис. 17); обрушение торцовых стен; сдвиг, а иногда и обрушение перекрытий; обрушение отдельно стоящих стоек и особенно печей и дымовых труб.

Разрушение зданий в полной мере характеризуют законы разрушения. Под законами разрушения здания по-

Разрушение каркасного здания при землетрясении в Китае (а) и разрушение панельных зданий при землетрясении в Румынии (б) нимается зависимость между вероятностью его повреждения и интенсивностью проявления землетрясения в баллах. Законы разрушения зданий получены на основе анализа статистических материалов по разрушению жилых, общественных и промышленных зданий от воздействия землетрясений разной интенсивности.

Характерные повреждения кирпичных простенков при сейсмическом воздействии

Для построения кривой, аппроксимирующей вероятности наступления не менее определенной степени повреждения зданий, используется нормальный закон распределения повреждений. При этом учитывается, что для одного и того же здания может рассматриваться не одна, а пять степеней разрушения, т.е. после разрушения наступает одно из пяти несовместимых событий. Значения математического ожидания М мо интенсивности землетрясения в баллах, вызывающего не менее определенных степеней разрушения зданий, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Математические ожидания М мо законов разрушения зданий

Использование данных таблицы 1 позволяет прогнозировать вероятность повреждения зданий различных классов при заданной интенсивности землетрясения.

В процессе строительства и во время эксплуатации здание испытывает на себе действие различных нагрузок. Этим силам сопротивляется сам материал конструкции, в нем возникают внутренние напряжения. Поведение строительных материалов и конструкций под воздействием внешних сил и нагрузок изучает строительная механика.

Одни из этих сил действуют на здание непрерывно и называются постоянными нагрузками, другие - лишь в отдельные отрезки времени и называются временными нагрузками.

К постоянным нагрузкам относится собственный вес здания , который в основном состоит из веса конструктивных элементов, составляющих его несущий остов. Собственный вес действует постоянно во времени и по направлению сверху вниз. Естественно, что напряжения в материале несущих конструкций в нижней части здания будут всегда больше, чем в верхней. В конечном счете все воздействие собственного веса передается на фундамент, а через него - на грунт основания. Собственный вес всегда был не только постоянной, но и главной, основной нагрузкой на здание.

Лишь в последние годы строители и конструкторы столкнулись с совершенно новой проблемой: не как надежно опереть здание на грунт, а как его «привязать», заанкерить к земле, чтобы его не оторвали от земли другие воздействия, в основном ветровые усилия. Это произошло потому, что собственный вес конструкций в результате применения новых высокопрочных материалов и новых конструктивных схем все время уменьшался, а габариты зданий росли. Увеличивалась площадь, на которую действует ветер, иначе говоря, парусность здания. И, наконец, воздействие ветра стало более «весомым», чем воздействие веса здания, и здание стало стремиться к отрыву от земли.

является одной из основных временных нагрузок. С увеличением высоты воздействие ветра возрастает. Так, в средней части России нагрузка от ветра (скоростной напор ветра) на высоте до 10 м принимается равным 270 Па, а на высоте 100 м она уже равна 570 Па. В горных районах, на морских побережьях воздействие ветра намного возрастает. Например, в некоторых районах береговой полосы Арктики и Приморья нормативное значение ветрового напора на высоте до 10 м равно 1 кПа. С подветренной стороны здания возникает разряженное пространство, которое создает отрицательное давление - отсос, который увеличивает общее воздействие ветра. Ветер меняет как направление, так и скорость. Сильные порывы ветра создают, кроме того, и ударное, динамическое воздействие на здание, что еще более усложняет условия для работы конструкции.

С большими неожиданностями столкнулись градостроители, когда стали возводить в городах здания повышенной этажности. Оказалось, что улица, на которой никогда не дули сильные ветры, с возведением на ней многоэтажных зданий стала очень ветреной. С точки зрения пешехода, ветер со скоростью 5 м/с уже становится надоедливым: он развевает одежду, портит прическу. Если скорость немного выше - ветер уже поднимает пыль, кружит обрывки бумаг, становится неприятным. Высокое здание является основательной преградой для движения воздуха. Ударяясь об эту преграду, ветер разбивается на несколько потоков. Одни из них огибают здание, другие устремляются вниз, а затем у земли также направляются к углам здания, где и наблюдаются самые сильные потоки воздуха, в 2-3 раза превышающие по своей скорости ветер, который дул бы на этом месте, если бы не было здания. При очень высоких зданиях сила ветра у основания здания может достигать таких размеров, что валит пешеходов с ног.

Амплитуда колебаний высотных зданий достигает больших размеров, что отрицательно влияет на самочувствие людей. Скрип, а иногда и скрежет стального каркаса одного из самых высоких в мире здания Международного торгового центра в Нью-Йорке (высота его 400 м) вызывает тревожное состояние у находящихся в здании людей. Предусмотреть, рассчитать заранее действие ветра при высотном строительстве очень сложно. В настоящее время строители прибегают к экспериментам в аэродинамической трубе. Как и авиастроители! они обдувают в ней модели будущих зданий и в какой-то мере получают реальную картину воздушных токов и их силу.

также относится к временным нагрузкам. Особенно внимательно надо подходить к влиянию снеговой нагрузки на разновысотные здания. На границе между повышенной и пониженной частями здания возникает так называемый «снеговой мешок», где ветер собирает целые сугробы. При переменной температуре, когда происходит поочередное подтаивание и вновь замерзание снега и при этом еще сюда попадают взвешенные частицы из воздуха (пыль, копоть), снеговые, точнее, ледяные массивы становятся особенно тяжелыми и опасными. Снеговой покров из-за ветра ложится неравномерно как при плоских, так и при скатных кровлях, создавая асимметрическую нагрузку, которая вызывает дополнительные напряжения в конструкциях.

К временным относится (нагрузка от людей, которые будут находиться в здании, технологического оборудования, складируемых материалов и т. д.).

Возникают в здании напряжения и от воздействия солнечного тепла и мороза. Это воздействие называется температурно-климатическим . Нагреваясь солнечными лучами, строительные конструкции увеличивают свой объем и размеры. Охлаждаясь во время морозов, они уменьшаются в своем объеме. При таком «дыхании» здания в его конструкциях возникают напряжения. Если здание имеет большую протяженность, эти напряжения могут достичь высоких значений, превышающих допустимые, и здание начнет разрушаться.

Аналогичные напряжения в материале конструкции возникают и при неравномерной осадке здания , которая может произойти не только из-за разной несущей способности основания, но и из-за большой разницы в полезной нагрузке или собственного веса отдельных частей здания. Например, здание имеет многоэтажную и одноэтажную части. В многоэтажной части на перекрытиях расположено тяжелое оборудование. Давление на грунт от фундаментов многоэтажной части будет намного больше, чем от фундаментов одноэтажной, что может вызвать неравномерность осадки здания. Чтобы снять дополнительные напряжения от осадочных и температурных воздействий, здание «разрезают» на отдельные отсеки деформационными швами.

Если здание защищают от температурных деформаций, то шов называется температурным. Он отделяет конструкции одной части здания от другой, за исключением фундаментов, так как фундаменты, находясь в земле, не испытывают температурного воздействия. Таким образом, температурный шов локализует дополнительные напряжения в пределах одного отсека, препятствуя передаче их на соседние отсеки, тем самым препятствуя их сложению и увеличению.

Если здание защищают от осадочных деформаций, то шов называется осадочным. Он отделяет одну часть здания от другой полностью, включая и фундаменты, которые благодаря такому шву имеют возможность перемещаться один по отношению к другому в вертикальной плоскости. При отсутствии швов трещины могли бы возникнуть в неожиданных местах и нарушить прочность здания.

Кроме постоянных и временных существуют еще особые воздействия на здания. К ним относятся:

• сейсмические нагрузки от землетрясения;
• взрывные воздействия;
• нагрузки, возникающие при авариях или поломках технологического оборудования;
• воздействия от неравномерных деформаций основания при замачивании просадочных грунтов, при оттаивании вечномерзлых грунтов, в районах горных выработок и при карстовых явлениях.

По месту приложения усилий нагрузки разделяются на сосредоточенные (например, вес оборудования) и равномерно распределенные (собственный вес, снег и др.).

По характеру действия нагрузки могут быть статическими, т. е. постоянными по величине во времени, например тот же собственный вес конструкций, и динамическими (ударными), например порывы ветра или воздействие подвижных частей оборудования (молоты, моторы и др.).

Таким образом, на здание действуют самые различные нагрузки по величине, направлению, характеру действия и месту приложения (рис. 5). Может получиться такое сочетание нагрузок, при котором они все будут действовать в одном направлении, усиливая друг друга.

Рис. 5. Нагрузки и воздействия на здание: 1 - ветер; 2 - солнечная радиация; 3 - осадки (дождь, снег); 4 - атмосферные воздействия (температура, влажность, химические вещества); 5 - полезная нагрузка и собственный вес; 6 - особые воздействия; 7 - вибрация; 8 - влага; 9 - давление грунта; 10 - шум

Именно на такие неблагоприятные сочетания нагрузок рассчитывают конструкции здания. Нормативные значения всех усилий, действующих на здание, приведены в СНиПе. Следует помнить, что воздействия на конструкции начинаются с момента их изготовления, продолжаются при транспортировке, в процессе возведения здания и его эксплуатации.

Благовещенский Ф.А., Букина Е.Ф. Архитектурные конструкции. - М., 1985.