Rodzaje obciążeń działających na konstrukcje budynków i innych konstrukcji można ogólnie sklasyfikować jako obciążenia pionowe, obciążenia poziome i obciążenia wzdłużne. Obciążenia pionowe składają się z obciążenia martwego, obciążenia żywego i obciążenia udarowego.

Obciążenia poziome składają się z obciążenia wiatrem i obciążenia trzęsieniem ziemi. Obciążenia wzdłużne, tj. siły pociągowe i hamujące, są rozpatrywane w szczególnych przypadkach projektowania mostów, dźwigarów bramowych itp.

Typy obciążeń na konstrukcje i budynki

W konstrukcji budynku dwa główne czynniki brane pod uwagę to bezpieczeństwo i ekonomia. Jeżeli obciążenia są oceniane i przyjmowane jako wyższe, ma to wpływ na ekonomię. Jeśli natomiast bierze się pod uwagę ekonomię, a obciążenia są mniejsze, to bezpieczeństwo jest zagrożone.

Więc oszacowanie różnych działających obciążeń musi być dokładnie obliczone. Indyjski kod standardowy IS: 875-1987 i amerykański kod standardowy ASCE 7: Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures określają różne obciążenia obliczeniowe dla budynków i konstrukcji.

Typami obciążeń działających na konstrukcję są:

1. Obciążenia martwe
2. Obciążenia narzucone
3. Obciążenia wiatrem
4. Obciążenia śniegiem
5. Obciążenia trzęsieniem ziemi
6. Obciążenia specjalne

Obciążenia martwe (DL)

Pierwszym obciążeniem pionowym, które jest rozpatrywane, jest obciążenie martwe. Obciążenia martwe są to obciążenia stałe lub stacjonarne, które są przenoszone na konstrukcję przez cały okres jej użytkowania. Obciążenie martwe wynika przede wszystkim z ciężaru własnego elementów konstrukcyjnych, stałych ścian działowych, stałego wyposażenia oraz ciężaru różnych materiałów. Obciążenie to składa się głównie z ciężaru dachów, belek, ścian i słupów itp., które są stałymi częściami budynku.

Obliczanie obciążeń własnych każdej konstrukcji polega na obliczeniu objętości każdej sekcji i pomnożeniu jej przez ciężar jednostkowy. Ciężary jednostkowe niektórych powszechnie stosowanych materiałów przedstawiono w poniższej tabeli.

Czytaj: Unit Weight / Density of Different Construction Materials

Imposed Loads or Live Loads (IL or LL)

Drugim obciążeniem pionowym, które jest brane pod uwagę w projektowaniu konstrukcji, są obciążenia użytkowe. Obciążenia żywe są obciążeniami ruchomymi lub poruszającymi się bez żadnego przyspieszenia lub uderzenia. Przyjmuje się, że obciążenia te są wytwarzane przez zamierzony sposób użytkowania lub zajmowania budynku, łącznie z ciężarami ruchomych ścianek działowych, mebli itp. Obciążenia te muszą być odpowiednio przyjęte przez projektanta. Jest to jedno z głównych obciążeń w projekcie. Minimalne wartości obciążeń użytkowych, które należy przyjąć są podane w normie IS 875 (część 2)-1987. Zależy to od przeznaczenia budynku.

Kodeks podaje wartości obciążeń użytkowych dla następującej klasyfikacji użytkowania:

• Budynki mieszkalne – domy mieszkalne, hotele, schroniska, kotłownie i pomieszczenia zakładowe, garaże
• Budynki oświatowe
• Budynki instytucjonalne
• Budynki montażowe
• Budynki gospodarcze i biurowe
• Budynki handlowe
• Budynki przemysłowe, oraz
• Pomieszczenia magazynowe.

Kodeks podaje obciążenia równomiernie rozłożone, jak również obciążenia skupione. Płyty stropowe muszą być zaprojektowane do przenoszenia obciążeń równomiernie rozłożonych lub skupionych, w zależności od tego, które z nich wywołują większe naprężenia w rozpatrywanej części. Ponieważ jest mało prawdopodobne, aby w danym momencie wszystkie kondygnacje nie przenosiły jednocześnie maksymalnych obciążeń, kodeks dopuszcza pewną redukcję obciążeń użytkowych przy projektowaniu słupów, ścian nośnych, podpór i fundamentów. W poniższej tabeli przedstawiono niektóre z ważnych wartości, które są wartościami minimalnymi, a tam, gdzie jest to konieczne, należy przyjąć wartości większe od tych wartości.

Jednakże w budynkach wielopiętrowych prawdopodobieństwo, że pełne obciążenia użytkowe będą działać jednocześnie na wszystkie piętra jest bardzo rzadkie. Dlatego też kodeks przewiduje redukcję obciążeń przy projektowaniu słupów, ścian nośnych, ich podpór i fundamentów, jak pokazano w poniższej tabeli.

.

Liczba kondygnacji (w tym dach) przenoszonych przez rozpatrywany element konstrukcyjny	Redukcja całkowitych rozłożonych obciążeń użytkowych w %
1	0
2	10
3	20
4	30
5-10	40
Powyżej 10	50

Obciążenia wiatrem

Obciążenie wiatrem to przede wszystkim obciążenie poziome spowodowane ruchem powietrza względem ziemi. Obciążenie wiatrem musi być uwzględnione w projekcie konstrukcyjnym szczególnie wtedy, gdy wysokość budynku przekracza dwukrotnie wymiary poprzeczne do wystawionej na działanie wiatru powierzchni.

W przypadku budynków o niskiej wysokości, powiedzmy do czterech do pięciu pięter, obciążenie wiatrem nie jest krytyczne, ponieważ moment oporu zapewniony przez ciągłość połączenia stropu ze słupem oraz ściany między słupami są wystarczające do uwzględnienia wpływu tych sił. Ponadto w metodzie stanów granicznych współczynnik obciążenia obliczeniowego zmniejsza się do 1,2 (DL+LL+WL), gdy uwzględniany jest wiatr, w porównaniu ze współczynnikiem 1,5 (DL+LL), gdy wiatr nie jest uwzględniany.

Podczas projektowania budynku należy pamiętać o siłach poziomych wywieranych przez składowe wiatru. Obliczanie obciążenia wiatrem zależy od dwóch czynników, a mianowicie od prędkości wiatru i wielkości budynku. Kompletne szczegóły dotyczące obliczania obciążenia wiatrem konstrukcji podano poniżej (wg IS-875 (Część 3) -1987).

Używając kodu kolorystycznego, podstawowe ciśnienie wiatru “Vb” jest pokazane na mapie Indii. Projektant może wybrać wartość Vb w zależności od lokalizacji budynku.

Aby uzyskać projektową prędkość wiatru Vz, należy użyć następującego wyrażenia:

Vz = k1.k2.k3.Vb

Gdzie k1 = Współczynnik ryzyka

k2 = Współczynnik oparty na ukształtowaniu terenu, wysokości i wielkości konstrukcji.

k3 = Współczynnik topograficzny

Prędkość obliczeniowa wiatru jest określona wzorem

pz = 0,6 V2z

gdzie pz jest w N/m2 na wysokości Z, a Vz jest w m/s. Przyjmuje się, że do wysokości 30 m napór wiatru działa równomiernie. Powyżej wysokości 30 m parcie wiatru wzrasta.

Obciążenia śniegiem (SL)

Obciążenia śniegiem stanowią obciążenia pionowe w budynku. Jednak te rodzaje obciążeń są rozpatrywane tylko w miejscach, w których występują opady śniegu. Norma IS 875 (część 4) – 1987 zajmuje się obciążeniami śniegiem na dachach budynków.

Minimalne obciążenie śniegiem powierzchni dachu lub jakiejkolwiek innej powierzchni nad ziemią, która jest narażona na gromadzenie się śniegu, otrzymuje się z wyrażenia

Gdzie S = obliczeniowe obciążenie śniegiem powierzchni dachu w planie.

= Współczynnik kształtu, oraz

S0 = Obciążenie śniegiem gruntu.

Obciążenia spowodowane trzęsieniem ziemi (EL)

Siły trzęsienia ziemi stanowią zarówno pionowe, jak i poziome siły działające na budynek. Całkowite drgania wywołane trzęsieniem ziemi można podzielić na trzy wzajemnie prostopadłe kierunki, zwykle przyjmowane jako kierunek pionowy i dwa kierunki poziome.

Ruch w kierunku pionowym nie wywołuje sił w konstrukcji nośnej w znaczącym stopniu. Jednak ruch poziomy budynku w czasie trzęsienia ziemi należy rozważyć podczas projektowania.

Reakcja konstrukcji na drgania gruntu jest funkcją charakteru gruntu fundamentowego, rozmiaru i sposobu konstrukcji oraz czasu trwania i intensywności ruchu gruntu. Norma IS 1893- 2014 podaje szczegóły takich obliczeń dla konstrukcji stojących na gruntach, które nie osiadają ani nie przesuwają się znacząco w wyniku trzęsienia ziemi.

Przyspieszenia sejsmiczne do celów projektowych można uzyskać na podstawie współczynnika sejsmicznego, który definiuje się jako stosunek przyspieszenia spowodowanego trzęsieniem ziemi i przyspieszenia spowodowanego siłą ciężkości. W przypadku monolitycznych konstrukcji żelbetowych znajdujących się w strefie sejsmicznej 2 i 3, o wysokości nie większej niż 5 pięter i współczynniku ważności mniejszym niż 1, siły sejsmiczne nie są krytyczne.

Inne obciążenia i efekty działające na konstrukcje

Zgodnie z klauzulą 19.6 normy IS 456-2000, oprócz omówionych powyżej obciążeń, należy uwzględnić następujące siły i efekty, jeżeli mogą one mieć istotny wpływ na bezpieczeństwo i użytkowalność konstrukcji:

(a) Ruch fundamentu (Patrz IS 1904)

(b) Sprężyste skrócenie osiowe

(c) Nacisk gruntu i płynów (Patrz IS 875, Część 5)

(d) Wibracje

(e) Zmęczenie

(f) Uderzenie (Patrz IS 875, Część 5)

(g) Obciążenia montażowe (Patrz IS 875, Część 2) i

(h) Efekt koncentracji naprężeń spowodowany obciążeniem punktowym i tym podobne.