Чем отличаются нагрузки от усилий?

Хочется написать ответ на этот вопрос, чтобы расставить все точки над «i». При расчете любых конструкций всплывают оба эти термина. Причем как нагрузки могут быть и в виде сил, и в виде моментов, так и усилия.

Как же не запутаться в этих понятиях и выполнить расчет с пониманием?

Давайте рассмотрим алгоритм любого расчета.

1.     Определение расчетной схемы.
Это первый шаг, когда мы от конструкции «в теле» переходим к условным палочкам и пластинам. При этом задаются связи, определяется, как же все элементы взаимодействуют друг с другом, какие части конструкции будут работать, а какие – просто нагружать другие части целого. Важный момент – выбор между шарниром и защемлением. Любые два элемента могут быть соединены как довольно свободно, так и жестко, это дает свои «плюсы» и «минусы» в ходе расчета.

2.     Сбор нагрузок.
Когда расчетная схема определена, когда принято решение, что же будет работать в нашей конструкции, а что «сидеть на шее», следует как можно тщательней разобраться с тем, что же воздействует на нашу конструкцию. И здесь мы впервые сталкиваемся с понятием «нагрузка». Нагрузка – это любое внешнее воздействие, которое влияет на нашу конструкцию. Список нагрузок не так уж велик:

Нагрузка от собственного веса (да, даже под своим собственным весом неправильно рассчитанная конструкция может сломаться) и от веса других элементов, материалов.
Нагрузка от веса людей, мебели, оборудования – в общем всего того, что может быть, может не быть, но важно это учесть и не просчитаться.
Нагрузка от снега.
Нагрузка от ветра.
Нагрузка от температурных воздействий (под действием температур материалы расширяются вплоть до разрушения, это явление также можно выразить в виде нагрузки).
Сейсмическая нагрузка.
Как видите, всё это (ну, за исключением собственного веса) приходит извне, но оказывает значительное влияние на любую конструкцию. Причем каждая нагрузка может располагаться в пространстве произвольным образом по отношению к объекту расчета – и перпендикулярно, и под углом, и вдоль оси. Нагрузки могут сочетаться между собой, могут исключать друг друга. В общем, вариантов масса, но все это нам нужно свести в единую систему, найти наихудший вариант и запроектировать такую конструкцию, которая этот наихудший вариант сможет на собственных плечах вынести. Каким же приемом пользуются в расчете, чтобы перевести нагрузки в удобоваримый формат? Ведь нагрузок может быть масса, но глядя на них, не сразу возможно понять, плохо или хорошо они воздействуют на конструкцию. Именно для прояснения картины с нагрузками в алгоритме расчета присутствует следующий, очень важный шаг.

3.     Выполнение расчета для определения усилий.
Усилия – это именно те данные, которые помогают инженеру понять, как же чувствует себя конструкция под воздействием всей совокупности нагрузок. Если нагрузки (внешние силы) – это то, что влияет на схему извне, то усилия – это то, что чувствует каждый элемент расчетной схемы непосредственно на своей шкуре. Человек стал вам на ногу – это нагрузка, приложенная к вашей ноге как к конструкции; вы почувствовали давление веса этого человека, оно вызывает в вас определенные напряжения, деформации – это усилие в вашей ноге.

Один очень опытный конструктор говорил , что при проверке решений других инженеров он представляет себя на месте конструкции. И иногда обнаруживает, что кто-то прицепил значительную нагрузку не на туловище, руки или ноги (в общем, не на выносливые элементы), а подвесил к уху или носу, а то и за волосы попытался зацепиться. Это шутки, но очень глубокие. Если научиться представлять работу конструкции: представлять в виде образов возникающие в ней усилия от всех нагрузок, представлять ее деформации от этих усилий, можно значительно облегчить себе жизнь, да и жизнь конструкции тоже.

Видов усилий не так уж и много, все они собраны в двух понятиях – силы и моменты. Усилие в виде силы всегда прямое, оно либо сжимает, либо растягивает, либо пытается перерезать. Усилие в виде момента пытается изогнуть или закрутить. Если взять стержень (балку, колонну), его «самочувствие» очень просто описать несколькими значениями:

продольной силой N, которая либо сжимает, либо растягивает вдоль оси;
поперечной силой Q, которая пытается срезать стержень поперек сечения (как мы ножом режем морковку) или хотя бы помочь потерять ему устойчивость;
изгибающим моментом M, который стремится согнуть стержень, искривить его;
крутящим моментом Т, который пытается скрутить стержень так, как мы выкручиваем мокрое полотенце.
Все это усилия, полученные в результате расчета конструкции (взяты в типовом примере Лиры). рис.1

Получается, что нагрузки – это исходные данные для расчета, а усилия – результат. Отчего же тогда возникает путаница в понятиях? Думаю потому, что найденные усилия – это результат не окончательный, а промежуточный. С учетом этих усилий идет дальнейшая проверка несущей способности сечения, рассчитывается и подбирается армирование. И в этом дальнейшем расчете усилия становятся уже на место исходных данных. И у нас вырисовывается следующий этап.

1.     С учетом усилий проверяем (или определяем) сечение каждого элемента расчетной схемы и его армирование.
Допустим, есть железобетонная рама. Собрали нагрузки, выполнили расчет, определили усилия в балках и колоннах. А что дальше? Дальше разбираем конструкцию на части (колонны – отдельно, балки – отдельно) и считаем эти части с учетом уже не нагрузок, а усилий. И часто при этом задача звучит так: «Нагрузки на колонну: N = …, М = …». Вот люди и путаются. Особенно с колоннами. В балках-то проще: нагрузка равномерно распределенная (обозначается обычно прописной q и рисуется рядом стрелочек), усилия – момент и поперечная сила (изображаются эпюрами). А в колонне как? Нагрузка – вертикальная сосредоточенная сила (изображается стрелкой с буквой), и усилие – что-то в этом же духе (опять же стрелка с буквой). И получается подмена понятий, путаница.

Еще бывают ошибки в том, что расчетчик недооценивает значения соединения конструкций между собой (бывают ведь жесткие и шарнирные узлы, и нагрузку они передают по-разному), представляя себе, что зависимость «нагрузка → усилие» всегда очевидна. Но есть такое явление, как перераспределение усилий. И не всегда в конструкции, нагруженной больше других, усилия окажутся тоже бОльшими. Усилия могут и перераспределяться, и компенисироваться – гасить друг друга. Все это выявляется в ходе расчета, а укладывается в систему, в общее вИдение работы конструкций – в ходе многочисленных расчетов.

Радует одно: с опытом путаница в голове проясняется и все становится на свои места. Главное – запомнить алгоритм и четко ему следовать. Ну, и делать выводы. Подмечать закономерности. Находить объяснения неожиданным результатам. «Почему?» и «а что, если…?» – главные вопросы инженера. И время, выделенное на поиск ответов, зачастую бывает намного важнее рутинной работы, не вызывающей сомнений.

Чем отличаются нагрузки от усилий?