какую нагрузку называют динамической

Виды нагрузок или в чем сила, сопромат?

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.

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.

Временные нагрузки

Это все остальные нагрузки, действующие на конструкцию.

В свою очередь временные нагрузки принято разделять на длительные и кратковременные:

Длительные нагрузки

Кратковременные нагрузки

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).

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.

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.

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

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).

Источник

Виды динамических нагрузок и характеристики колебаний

Многие строительные конструкции, кроме статических, воспринимают и динамические нагрузки, сообщающие их массам ускорения и вызывающие появление инерционных сил и колебаний.

К динамическим относятся нагрузки, изменяющие свою величину, направление или место приложения на конструк­ции. Их можно разделить на ряд видов:

1. Неподвижная нагрузка, действующая постоянно или периодически изменяющая свою величину н частоту. Например, токарные и ткацкие станки, типографские ма­шины, различные двигатели, вентиляторы, компрессоры, грохоты, пилорамы, вибрационные машины и другое ста­ционарное оборудование (рис. 8.1, а).

2. Подвижная нагрузка, меняющая свое положение на конструкции. Передается от мостовых кранов, рельсово­го или автомобильного транспорта (рис. 8.1, б).

3.Импульсная нагрузка, действующая на конст­рукцию в течение достаточно малого промежутка времени в результате взрыва, внезапного изменения давления газа или жидкости в трубопроводах или резервуарах, при вклю­чении, выключении или коротком замыкании электромашин и т. д. (рис. 8.1, в).

4. Ударная нагрузка, создающаяся падающими те­лами, копрами, молотами и другими механизмами ударного действия (рис. 8.1, г),звуковыми ударными волнами при полетах сверхзвуковых самолетов.

5. Динамическая составляющая ветровой нагрузки, вызванная пульсацией скоростного напора, учитывается при расчете высотных сооружений с периодом собственных колебаний более 0,25 с, например многоэтаж­ных зданий высотой более 40 м, одноэтажных однопролетных производственных зданий высотой более 36 м, открытых этажерок, транспортных галерей, мачт, башен, дымовых труб, опор линий электропередач и других сооружений (рис. 8.1, д).

6. Сейсмическая нагрузка, проявляющаяся в виде беспорядочных смещений и колебаний почвы, толчков и ударов при землетрясении (рис. 8.1, е).

7. Комбинированная нагрузка, состоящая из нескольких видов динамических воздействий, на пример от групповых динамических воздействий большого количества машин с синхронным или асинхронным приводом.

Таким образом, динамическая нагрузка вызывается работой машин и оборудования с неуравновешенными массами, транспортными средствами, взрывами и ударами, порывами ветра, морской волны, сейсмическими и другими воздействиями. В строительных конструкциях под действием динамических нагрузок возникают колебания, перемещения и деформации, усилия и напряжения. Причем, если результат воздей­ствия статической на­грузки определяется величиной, влияние динамической нагрузки оценивается не только ее величиной, но прежде всего характером воздей­ствия.

При этом приходится считаться: с разрушительным дей­ствием вибрации на конструкцию в связи с усталостным снижением прочности материала; с динамической устойчи­востью сооружения или грунта основания; с вредным влия­нием вибраций на организм людей и нормальную работу технологического оборудования.

Рис. 8.2. Виброграмма затухающих колебаний

энергии имеет затухающий характер (рис. 8.2). Время полного цикла , соответствующее двум полуволнам, называют периодом колебаний. Для свободных колебаний он остается неизменным. Количество циклов колебаний в еди­ницу времени называют частотой колебаний . Число циклов колебаний за секунд называют круговой часто­той колебаний — . Степень затухания колебаний характеризуется логарифмическим декрементом колебаний

.

откуда коэффициент затухания

Затухание колебаний связано с затратой энергии на пре­одоление внешних и внутренних сопротивлений. Внешние со­противления обусловлены силами трения в опорных закреп­лениях и узловых сопряжениях, сопротивлением воздушной среды и другими факторами.

Рис.8.3. Диаграмма работы материалов:

Внутренние сопротивления обусловлены в основном пластическими деформациями ма­териала. Зависимость между внешней силой и перемещения­ми материала показана на рис. 8.3. Площадь замкнутой петли гистерезиса пропорциональна работе , поглощен­ной в необратимой форме за один цикл колебаний, а пло­щадь заштрихованного треугольника на рис. 8.3, б пропор­циональна работе упругих сил за четверть цикла при воз­растании деформации от нуля до максимальной величины. Отношение необратимой энергии к работе упругих сил системы за четверть цикла называется коэффициентом по­глощения энергии:

При экспериментальном определении коэффициента по­глощения энергии для повышения точности виброграмму разбивают па несколько участков по циклон в каждом (см. рис. 8.2) и определяют среднее значение коэффициента:

В расчетах вместо коэффициента поглощения энергии часто пользуются пропорциональным ему параметром, на­зываемым коэффициентом неупругого сопротивления:

Значение коэффициента определяются экспериментальным данным при затухании собственных колебаний в зависимости от материала и категории нагрузки.

Рис. 8.4. Максимальные , минимальные ,

средние и амплитудные напряжения цикла вынужденных колебаний

Категория динамической нагрузки устанавливается в за­висимости от величины и характера внешнего воздействия. К I и II категориям относятся слабые и умеренные импульсы , к IIIи IV— сильные и очень сильные /

Вынужденными называются колебания, вызываемые внешней возмущающей силой при ее непрерывном воздействии. При таких колебаниях системе непрерывно сообща­ется энергия со стороны действующей силы. Часть этой энергии затрачивается на преодоление внешних и внутрен­них сопротивлений, оставшаяся вызывает колебания, которые не затухают, пока действует возмущающая сила (рис. 8.4). Период вынужденных колебаний равен периоду возмущающей силы. Амплитуда от начальных условий не зависит. Частота возмущающей силы может быть и пере­менной во времени. Когда частота возмущающей силы близ­ки или совпадает с частотой собственных колебаний конст­рукции, происходит резкое увеличение амплитуды (рис. 8.5, а), что связано с явлением резонанса. Если частота возмущающей силы изменяется, резонанс прекра­щается. При резонансе возникают недопустимые для нор­мальной работы конструкции перемещения и деформации, которые могут вывести ее из строя. Известен случай разру­шения вантового моста через залив Такома в США от чрезмерных колебаний пролетного строения, вызванных ветром. Для высотных гибких сооружений типа мачт, дымовых труб производят поверочный расчет на резонанс, который возможен при таких скоростях, когда частота срыва вихрей совпадает с собственной частотой колебаний сооружения. Когда частоты вынужденных колебаний становятся кратными частотам собственных колебаний, наблюдается частичный резонанс в менее выраженной форме. Резонанс следует отличать от биения (рис. 8.5, б), когда на конструкцию действуют две силы с весьма близкими частотами. Если какой-либо из параметров конструкции, например масса или жесткость, периодически изменяется при действии внешней возмущающей силы, такие колебания называют параметрическими. Они возникают, например, при вращении вала некруглого сечения с переменной жесткостью.

а б

Рис. 8.5. Виброграмма колебаний:

Незатухающие колебания, вызванные постоянно действующей внешней силой, находящейся за пределами конструкции, называют автоколебаниями. Это колебания линий электропередач, вантовых мостов, высоких гибких мачт и других конструкций при постоянной скорости ветра.

Рис. 8.6. Колебания балки:

а – первой формы; б – второй; в – третьей; г – четвертой

Отношение значения какой-либо величины при динами­ческой нагрузке к ее значению при статической нагрузке (рис. 8.7) называют динамическим коэффициентом:

Где — перемещение, вызванное динамической нагрузкой; — перемещение от той же нагрузки при ее статическом воздействии.

Рис.8.7. К определению динамического коэффициента

При действии вибрационной нагрузки наибольший ам­плитудный динамический коэффициент, определяемый без учета сопротивлений, вычисляется по формуле

(8.1.)

Где и — соответственно частота вынужденных и собст­венных колебаний.

Динамический коэффициент установившихся колебаний с учетом неупругих сопротивлений определяется по формуле [8.2]:

(8.2.)

При коэффициент близок к единице, а амплиту­да вынужденных колебании незначительно отличается от статического перемещения. При приближении отношения к единице коэффициент при отсутствии сопротивления стремится к бесконечности и формула (8.1) теряет смысл.

Значения коэффициента приведены на рис. 8.8. При из (8.2) получаем

.

При возникает резонанс. Фактически силы сопротивления значительно уменьшают динамический коэффи­циент, оказывая наиболее существенное влияние па его зна­чение в резонансной зоне: .

Например, для груза, подвешенного к пружине и под действием возмущаю­щей силы перемещающегося вниз, возмущающая сила имеет наибольшее значение и тоже направлена вниз. При приближении к резонансу сдвиг фаз возрастает, а когда , сдвиг фазы (рис. 8.9). После резонанса, ко­гда , стремится к . Если сопротивление исчезает , сдвиг фазы происходит скачкообразно (на рис. 8.9 показан жирной линией).

Рис.8.8. Резонансные кривые при различных значениях

Рис.8.9. Сдвиг фазы в зависимости от затуханий и частоты возбуждения

Пределом выносливости называют максимальное напря­жение, при котором материал не разрушается при задан­ном числе циклов переменных нагрузок. Значительное влия­ние на предел выносливости оказывают минимальные и максимальные напряжения цикла (см. рис. 8.4). Отношение этих напряжений называют характеристикой цикла:

Среднее напряжение и амплитуда цикла определяются

При динамической нагрузке большой интенсивности, но малой продолжительности (взрыв, удар) наблюдается уве­личение временного сопротивления материала. Происходит так называемое динамическое упрочнение.

Большое влияние на предел выносливости оказывает количество циклов повторно переменной нагрузки. Иногда продолжительно действующая периодическая нагруз­ка может создавать значительный динамический эффект. Однако при больших напряжениях разрушение может про­изойти и при малом числе циклов в результате малоцикло­вой усталости материала. Все эти обстоятельства необхо­димо учитывать при динамических расчетах строительных конструкций.

В некоторых случаях динамическая нагрузка может вызвать потерю общей или местной устойчивости конструк­ции, а для высоких гибких сооружений и призматических конструкций при воздействии потока ветра возможна аэро­динамическая неустойчивость вследствие вихревого возбуж­дения, или галопирования.

Для обеспечения нормальных условий работы людей, технологического оборудования и измерительных приборов ограничивается амплитуда динамических перемещений: , где — амплитуда вынужденных колебаний кон­струкции; — предельно допустимая амплитуда вынуж­денных колебаний, устанавливаемая санитарно-гигиениче­скими и технологическими нормами.

Сейсмическая нагрузка относится к числу особых и за­висит от силы сейсмического воздействия, измеряемого в баллах, периода и формы свободных колебаний конструк­ции и ее массы. Колебания распространяются от эпицентра землетрясения во все стороны в виде продольных, попереч­ных и поверхностных сейсмических волн.

Динамический расчет зданий, расположенных в сейсми­ческих районах, основан на упрощенных предпосылках норм. При расчете конструкции учитывают статическое действие сейсмических сил, распределенных в зависимости от массы сооружения. Расчетная сейсмическая нагрузка , соответствующая тону собственных колебаний конструкции, вычисляется по формуле:

Где — нагрузка, вызывающая инерционную силу, приня­тая сосредоточенной в точке (с учетом коэффициента пе­регрузки); — коэффициент сейсмичности, зависящий от расчетной сейсмичности в баллах; — коэффициент дина­мичности, соответствующий -ой форме собственных колеба­ний конструкции; -коэффициент, зависящий от формы деформации конструкции при его собственных колебаниях по — ой форме и от места расположения нагрузки .

Колебания здания выражаются законом затухающей си­нусоиды при горизонтальном направлении сейсмических сил вдоль продольной или поперечной осей здания с точкой их приложения в уровнях междуэтажных перекрытий. Расчетная схема сооружения имеет вид консольного стержня на подвижном основании с произвольным расположением по его высоте масс и жесткостей (рис. 8.10). Для протяженных в плане зданий схему следует усовершенствовать. Если масса и жесткость здания по высоте изменяются не­значительно, учитывают колебания только первого тона. Для гибких высотных сооружений учитываются колебания и высших тонов.

Колебания при землетрясениях носят хаотический неста­ционарный характер и трудно поддаются описанию четки­ми математическими зависимостями. Условно колебательный процесс рас­сматривается как случайный стацио­нарный, как суммарное действие ряда гармонических колебаний. Представля­ют интерес не только перемещения и скорость, но главным образом сопро­вождающие их ускорения с отдельны­ми пиковыми выбросами. Для записи сейсмометрических данных применяют различные измерительные приборы.

При динамических испытаниях, так же как и при статических, напряжения не поддаются непосредственному изме­рению, и их приходится определять косвенными методами: по деформаци­ям, по амплитуде и форме колебаний, по ускорениям и перемещениям.

Рис.8.10. Расчетная схема сооружения при сейсмических воздействиях

Источник