На страницах нашего онлайн портала alivahotel.ru мы расскажем много самого интересного и познавательного, полезного и увлекательного для наших постоянных читателей.
Данная статья поможет вам начать понимать основы электрики. Главное, что вы должны усвоить – это закон, который связывает между собой силу тока, напряжение в сети и сопротивление энергопотребителя, подключенного к ней.
Сопротивление
Металл, применяемый при изготовлении токопроводящей жилы кабеля или провода, обладает удельным сопротивлением, зависящим от материала. Кроме того, с увеличением длины проводника растет и сопротивление, поскольку электрическому току необходимо преодолеть более значительное «расстояние». Также сопротивление увеличивается, если проводник более тонкий. Расчет сопротивления осуществляется между точками подключения.
Напряжение
В России напряжение в силовой розетке составляет 230 В, в USB-розетке – 5 В, в аккумуляторе автомобиля – 12 В. В других странах сетевое напряжение может отличаться. Например, в США оно составляет 100-127 В. Увеличение напряжения обеспечивает возможность передавать большее количество энергии.
Напряжение находится, например, между «+» и «-» в обычных батарейках, а также в силовой розетке между входами для вилки.
Сила тока
Когда какое-либо сопротивление подключается к напряжению, возникает новая величина – сила тока. При уменьшении сопротивления сила тока всегда возрастает.
Достигнуть низкого сопротивления не так уж и трудно. С этим поможет справиться проволока небольшой длины. С целью ограничения силы тока используют автоматические выключатели. Они бывают разными, например, на 6, 10, 16 А и т.д.
Мощность
Мощность можно вычислить, умножив силу тока на напряжение. Логично, что при делении мощности на напряжение мы получаем значение силы тока.
На большинстве современных электрический приборов указана потребляемая мощность. О напряжении в бытовых силовых розетках мы уже говорили.
Для примера возьмем обычный электрический чайник. Мощность у выбранной нами модели составляет около 2000 Ватт (2 кВт), а напряжение в розетке – 230 Вольт (0,23 кВ). Делим 2 кВт на 0,23 кВ и получаем силу тока, которая равняется примерно 9 Амперам. Теперь идем в щиток и смотрим, что у нас на розеточные группы установлен автоматический выключатель на 16 Ампер. Это означает, что чайник мы можем включить без проблем. А если вам необходимо включить второй такой чайник (или любой другой прибор с такой же мощностью), то лучше не делать этого одновременно.
Главный закон электрики
Значение силы тока в бытовых приборах будет увеличиваться пропорционально увеличению мощности, указанной на корпусе устройства. При одном и том же напряжении ток будет больше в том приборе, сопротивление которого меньше. Это можно определить с помощью соответствующих измерений.
Провод небольшой длины обладает относительно малым сопротивлением. Если подключить его к силовой розетке, то значение тока, которое пройдет по нему, будет слишком велико.
Стоит помнить, что сопротивление нагревательных приборов резко возрастает из-за нагревания нити накала.
Если мы говорим об индуктивных нагрузках, то здесь возникает реактивное сопротивление.
Мы рассказали вам о главном законе электричества – законе Ома для участка цепи. Понимание данного принципа поможет вам осознать многие процессы, возникающие в электрике.
Сочетания нагрузок или как выбрать нужные коэффициенты
Как разобраться со всем многообразием понятий видов нагрузок, которые дает нам ДБН В.1.2-2:2006 «Нагрузки и воздействия»? Нормативные и расчетные; основные и эпизодические; постоянные и переменные; предельные, эксплуатационные, циклические и квазипостоянные… Как это все можно грамотно втиснуть в пределы одного единственного расчета?
Для начала нужно запомнить, что в начале расчета мы имеем одно единственное значение нагрузки – нормативное (или характеристическое – что одно и то же). Это значение фактическое, не преувеличенное и не преуменьшенное никакими коэффициентами. Вот выпадает в Киеве 155 кг снега на один квадратный метр или плита перекрытия весит 300 кг/м 2 – и нам нужно принять это как факт, как самые важные исходные данные, которые мы потом для правдоподобности расчета исказим различными коэффициентами.
Первое, что нужно запомнить: никогда нормативное значение нагрузки не используется в расчете. Никогда. Даже в расчете по второму предельному состоянию – в нем может использоваться расчетная нагрузка, полученная умножением нормативной на коэффициент, равный единице. Но в расчете мы всегда оперируем расчетными значениями нагрузок, отличающимися от нормативных (характеристических).
Итак, приступая к любому расчету мы должны правильно подобрать все коэффициенты, на которые мы будем умножать нормативную нагрузку, превращая ее в расчетную.
1. Коэффициент надежности по ответственности
Первый коэффициент, который используется всегда – это коэффициент надежности по ответственности γn. Суть этого коэффициента в том, что здания бывают разного уровня ответственности (сравнить, например, крытый стадион на 50 тыс. мест и двухкомнатный домик в деревне) – и чем выше степень ответственности здания, чем больше людей может пострадать при его разрушении, тем выше должен быть коэффициент γn.
Как определить γn? Сначала открываем ДCTУ-Н Б В.1.2-16:2013 «Определение класса ответственности и категории сложности объектов строительства» и определяем класс и категорию. Затем открываем таблицу 5 ДБН В.1.2-14:2009 «Общие принципы обеспечения надежности…» и определяем по ней коэффициент γn, точнее пять его значений: в устоявшемся состоянии для расчета по первой и второй группе; в переходных состояниях (допустим, на стадии строительства или в период реставрации) для расчета по первой и второй группе; в аварийном состоянии.
Допустим, у нас здание класса СС2 с категорией ответственности Б, тогда наш коэффициент для различных ситуаций равен: 1,05; 0,975; 0,95; 0,95; 0,975. Как видите, уже на самом начале пути дороги расходятся… Количество коэффициентов продиктовано количеством расчетов, которые вам необходимо выполнить. Подробнее с этим вопросом мы разберемся в примерах ниже.
Главное, повторюсь, что мы должны запомнить: на коэффициент надежности по ответственности γn умножаются абсолютно все нагрузки в расчете, только выбрать γn нужно соответствующий ситуации.
2. Коэффициент надежности по нагрузке
Второй коэффициент, на который мы должны умножать все нормативные (характеристические) значения нагрузок, чтобы получить расчетные значения – это коэффициент надежности по нагрузке γf. Суть этого коэффициента в том, что мы никогда не сможем точно определить нагрузку в конкретной ситуации – и плотность материала может варьироваться, и толщина слоев, и временные нагрузки могут выходить за определенные им среднестатистические пределы – в общем, коэффициент γf по сути является коэффициентом запаса, который увеличивает или уменьшает нагрузку в зависимости от ситуации. И самое главное для нас – определиться правильно с расчетной ситуацией, чтобы правильно выбрать γf.
Для того, чтобы разобраться с тем, какое значение коэффициента γf следует выбирать в разных случаях, нужно усвоить для себя понятия предельного, эксплуатационного, квазипостоянного и циклического значения нагрузок. Чтобы вам не показалось, что я хочу вас запутать окончательно (с этим прекрасно справляется и сам ДБН «Нагрузки и воздействия», дополнительных усилий прилагать не нужно), я сразу сильно упрощу разбор этих понятий. Два последних мы отбрасываем, как встречающиеся крайне редко (в расчетах на выносливость, ползучесть и т.п.), а по поводу двух первых запомним:
— предельное значение всегда используется при расчете по первому предельному состоянию (о предельных состояниях подробно здесь);
— эксплуатационное значение всегда используется при расчете по второму предельному состоянию.
Для предельного значения к коэффициенту надежности по нагрузке добавляется буква «m» – γfm, а для эксплуатационного – буква «е» – γfе. Значение предельного значения, как правило, выше значения эксплуатационного, таким образом, в расчете конструкций по первому предельному состоянию (по прочности и устойчивости) расчетное значение нагрузок будет большим, чем в расчете по второму предельному состоянию (по деформативности и трещиностойкости).
Все значения коэффициентов можно выбрать из ДБН «Нагрузки и воздействия», начиная с п. 5.1 и до конца документа.
Пример 1. Определение коэффициентов надежности по нагрузке.
Допустим, у нас есть нагрузка от веса плиты перекрытия 300 кг/м 2 и временная нагрузка от веса людей в квартире. Нам нужно определить предельное и эксплуатационное значение этих нагрузок для устоявшегося состояния. Коэффициент надежности по ответственности γnопределяется для класса СС2 и категории В (см. пункт 1 данной статьи).
1) Нагрузка от веса плиты относится к весу конструкций, коэффициенты к ней находим из раздела 5 ДБН «Нагрузки и воздействия». Из таблицы 5.1 находим γfm= 1,1; γfе= 1,0.
Коэффициент надежности по ответственности для расчета по первому предельному состоянию равен 1,0; для расчета по второму предельному состоянию – 0,975 (см. таблицу 5 в пункте 1 данной статьи).
Коэффициент надежности по ответственности для расчета по первому предельному состоянию равен 1,0; для расчета по второму предельному состоянию – 0,975 (см. таблицу 5 в пункте 1 данной статьи).
Из примера 1 мы видим, что значения нагрузок в разных частях расчета будут значительно отличаться.
Рекомендую при подсчете временных нагрузок для многоэтажных зданий не забывать об уменьшающих коэффициентах из пункта 6.8 ДБН «Нагрузки и воздействия», они не допускают перерасхода и приводят расчетную модель к максимально правдоподобной. Правда, при расчете в программных комплексах нужно неслабо извернуться, чтобы учесть уменьшенную нагрузку только для фундаментов, колонн и балок, при этом для перекрытий данное уменьшение не действует.
3. Постоянные, длительные и кратковременные нагрузки
Третье, с чем следует разобраться для определения расчетного сочетания нагрузок – это понятие постоянных, длительных и кратковременных нагрузок. Дело в том, что для каждого вида этих нагрузок при определении сочетаний используются различные коэффициенты. Поэтому после определения всех действующих на здание нагрузок следует обратиться к пунктам 4.11 – 4.13 ДБН «Нагрузки и воздействия» и сделать выбор, к какому типу относится каждая нагрузка.
Здесь хочу обратить ваше внимание на п. 4.12 (з) и 4.13 (б), а также на п. 4.12 (к) и 4.13 (в).
Как могут нагрузки от людей и снеговые нагрузки одновременно относиться и к длительным, и к кратковременным? Если внести их в расчет и там, и там, то явно будет перебор. И правильно, нужно сделать выбор в пользу одного из двух вариантов: если вы считаете конструкцию на ползучесть (к примеру) и в расчете используете нормативное значение нагрузки с пониженным значением (то бишь, квазипостоянное), тогда такую временную нагрузку следует отнести к длительным; если же вы делаете обычный расчет с использованием предельных и эксплуатационных значений нагрузок, то ваши временные нагрузки в таком случае относятся к кратковременным.
Таким образом, в большинстве случаев нагрузки от людей и снега относятся к кратковременным.
Пример 2. Определение типа нагрузок в расчете.
В таблице записаны нагрузки, собранные для расчета здания. В правой колонке необходимо указать тип нагрузки согласно п. 4.11 – 4.13 ДБН «Нагрузки и воздействия».
Нагрузка от веса конструкций (перекрытия, стены, фундаменты)
Нагрузка от веса межкомнатных кирпичных перегородок в жилом доме
постоянная (хоть перегородки и считают временными, но по факту их в квартире не сносят)
Нагрузка от гипсокартонных перегородок в квартире-студии
длительная (у этих перегородок много шансов сменить местоположение)
кратковременная (см. пояснения над таблицей)
Временная нагрузка от веса людей
кратковременная (см. пояснения над таблицей)
Нагрузка от веса полов в квартире
постоянная (точного пункта в ДБН нет, но полы в квартире будут всегда)
Нагрузка от веса грунта на обрезах фундамента
4. Сочетания нагрузок
Последний этап – это составление сочетаний нагрузок. Здесь главное – ничего не упустить.
Каждая расчетная ситуация, при которой сочетаются те или иные нагрузки в определенном соотношении, является отдельным сочетанием. Ниже я хочу предложить вам алгоритм, по которому проще собрать все сочетания, ничего не упустив.
В этапе 1 мы должны выявить все возможные нагрузки. В виде шпаргалки (для расчета жилых зданий) можно использовать следующий список:
Нагрузки от собственного веса конструкций здания (в т.ч. нагрузка от остекления и ограждения балконов)
Нагрузки от веса перегородок
Постоянная или длительная
Нагрузки от веса пирога полов
Нагрузки от веса конструкций крыши (стропила и пирог крыши)
Нагрузки от веса наружной и внутренней отделки стен
Постоянная или длительная
Временная нагрузка на перекрытия и лестницы от веса людей
Нагрузка от грунта на обрезах фундамента
Нагрузки от оборудования в техпомещениях
Обратите внимание, что не стоит объединять все нагрузки одного типа (допустим, все постоянные), т.к. при расчете разных частей здания не все они понадобятся.
Вообще нужно четко представлять, что именно вы считаете, и какие нагрузки нужно собирать для этого расчета. Одно дело – расчет перекрытия, а другое – расчет фундаментов здания. Совсем разный набор нагрузок.
В этапе 2 мы определяем количество расчетов. Это ответственный момент. Нужно точно определиться с необходимостью расчета на нагрузки в переходном состоянии (на периоде возведения здания или при транспортировке сборных элементов), а также с количеством аварийных расчетов (на каждое эпизодическое воздействие должен быть отдельный аварийный расчет).
Изначально у нас есть три типа расчетов, каждый из которых имеет свои исходные данные в виде нагрузок и коэффициентов. И прежде всего вы определяетесь со списком этих расчетов. Допустим, для расчета сборного ригеля нужны следующие расчеты: расчет по основному состоянию (на стадии эксплуатации); расчет по переходному состоянию (на стадии транспортировки); два расчета по аварийному состоянию (сейсмика и взрыв). Итого, у нас получится четыре расчета.
На этапе 3 мы определяем необходимость расчетов по первому и второму предельному состоянию и подсчитываем итоговое количество расчетов. Чаще всего, расчеты и по первому, и по второму предельному состоянию необходимы. Но бывают исключения: например, при расчете грунтового основания под фундаменты при определенных исходных данных расчет по первому предельному состоянию производить не надо.
Для нашего сборного ригеля, рассмотренного на этапе 2 в итоге получается шесть расчетов с различными коэффициентами:
1) расчет по первому предельному состоянию на стадии эксплуатации;
2) расчет по второму предельному состоянию на стадии эксплуатации;
3) расчет по первому предельному состоянию на стадии транспортировки;
4) расчет по второму предельному состоянию на стадии транспортировки;
5) аварийный расчет (сейсмика);
6) аварийный расчет (взрыв).
Когда мы подходим к этапу 4, у нас на руках есть список нагрузок (постоянных, длительных, кратковременных и эпизодических), список коэффициентов, подходящих для нашей расчетной ситуации, и нам остается лишь заняться генерированием всех возможных расчетных ситуаций.
Что значит – генерировать сочетания нагрузок? Нужно проанализировать имеющийся список нагрузок и составить те сочетания, которые, во-первых, возможны в реальности, а во-вторых, являются наихудшими для конструкции.
Допустим, мы считаем колонну каркаса здания, и у нас есть следующие нагрузки:
— собственный вес конструкций (постоянная) – СВ;
— кратковременная нагрузка на перекрытии – КР;
— снеговая нагрузка (кратковременная) – СН;
— кратковременная ветровая нагрузка (знакопеременная) в двух перпендикулярных направлениях –Ве1(+),Ве1(-), Ве2(+), Ве2(-);
— эпизодическая аварийная – АВ.
Разберемся пока без коэффициентов, какие сочетания возможны в реальной жизни (для примера возьмем стадию эксплуатации). Собственный вес есть всегда, т.е. он присутствует в любом сочетании. Кратковременная нагрузка на стадии эксплуатации тоже есть практически всегда (сложно представить опустевший дом без людей, мебели и какого-то хлама). Снеговая нагрузка бывает только зимой. Ветер тоже есть не всегда, мало того, одновременно может действовать только одна ветровая нагрузка из четырех (эти нагрузки называются взаимоисключающими).
Рассмотрим вариант со снеговой нагрузкой. Да, снег у нас бывает не всегда, но стоит ли нам брать в расчет сочетание без снега? Только если это ухудшит положение колонны, а такое маловероятно (отсутствие вертикальной нагрузки может ухудшить только состояние фундамента при наличии значительных изгибающих моментов, т.е. когда есть большой момент при малой вертикальной силе). Значит, не будем усложнять себе жизнь, и сочетание без снега включать в расчет не будем.
В итоге мы пришли к четырем возможным наихудшим сочетаниям:
Для этих четырех сочетаний нам нужно подобрать коэффициенты γn и γf для всех расчетов, определенных на этапе 3 (ниже в примере мы рассмотрим, как это делается). Если у нас имеется шесть расчетов, то в каждом у нас будет по четыре сочетания с коэффициентами.
Далее нам нужно ввести в эти сочетания понижающие коэффициенты согласно п. 4.18 ДБН «Нагрузки и воздействия».
Согласно этому пункту значение длительных и кратковременных нагрузок снижается, если они действуют одновременно. И это вполне логично.
Не стоит при подборе понижающих коэффициентов забывать и о пункте 4.20:
Если же мы будем подбирать сочетания для аварийной ситуации, то здесь можно воспользоваться допущением пункта 4.17 и не учитывать в аварийном расчете кратковременные нагрузки.
Тогда в аварийном расчете у нас будет всего одно сочетание, к которому нужно будет подобрать все коэффициенты:
Хочется уточнить, что необходимость аварийных расчетов в каждом отдельном случае должна быть тщательно взвешена и подтверждена нормами.
Пример 3. Определить все расчетные сочетания нагрузок для монолитного перекрытия жилого дома.
Нагрузки, действующие на перекрытие:
Собственный вес плиты
Нагрузка от кирпичных перегородок
Нагрузка от веса полов
Временная нагрузка от людей
Нагрузка от веса складируемой на перекрытии опалубки и арматуры на период строительства
Нагрузка от лесов под следующее перекрытие на период бетонирования и набора бетоном прочности
Определим количество расчетов:
а. Основное состояние (на период эксплуатации), в т.ч. расчет по первому и второму предельному состоянию – 1 и 2.
б. Переходное состояние (на период строительства), в т.ч. расчет по первому и второму предельному состоянию – 3 и 4.
Оснований для аварийного расчета (по п. 4.14 ДБН «Нагрузки и воздействия») нет.
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).
