jay d . Michael著
理解结构荷载和荷载
不断鼓励消防人员学习和了解建筑施工。最初的建筑施工消防培训课程从几个小时到一天多一点不等，有时还要实地考察。从类型I到类型V的类型或分类被回顾，然后进行测验或考试。在你最初的训练结束时，考试中有几个问题与建筑施工有关。多年来，你回顾了基本的材料，参加了更多的课程，然后升职。很快，你就会告诉年轻的消防员“了解建筑结构和结构荷载”，你只是在重复你听到的内容，还是你了解建筑是如何建造的?
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| (1)该木柱处于压缩状态;水平梁或大梁将施加在梁或大梁上的荷载传递到柱上。(摄影:Paul Dansbach) |
末弗朗西斯争吵他常常恳求我们:“了解你的敌人;建筑是你的敌人。”1他多次提醒我们，这个结构只是一个重力抵抗系统。188金博网网址多少一旦火灾从燃烧的物质转移到燃烧的建筑物，就需要改变灭火策略。
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| (2)这个重木木桁架的底弦是受拉的。当荷载施加在桁架的上弦杆上时，上弦杆将处于受压状态，下弦杆将处于张拉状态。 |
我们必须了解各种建筑构件和结构构件上的荷载和力。如果我们能对建筑构件和结构构件上的正常荷载和力有一个基本的了解，我们就能更好地评估我们的操作的安全性，无论是火灾、倒塌，还是风害，或任何其他时候，我们的反应将我们带进或围绕结构。
相关消防队员培训
力、结构载荷和应力/应变
内力和外力作用在结构构件上。外力通常被称为结构荷载;一个内力就是一个应力。另一种看待它的方式是行动和反应。荷载是作用;压力就是反应。对于每个作用力，都有一个大小相等、方向相反的反作用力。施加在柱上的载荷会使柱处于压缩状态;相反，悬挂在杆上的负载会使杆处于张力中。应变是由于构件内部的应力而引起的结构构件的变形。 Stress is usually measured in terms of pounds per square inch or pounds per square foot. Strain is measured in the percentage of elongation that happens when the material is tensioned.
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| (3)此外木框墙为承重墙。墙壁支持地板，证明地板托梁布置在一个90°的角度到墙壁。较低楼层的墙壁也将支撑上面的楼层，并可能支撑结构的屋顶。 |
压缩是一种压碎力。在压缩试验中，材料被压缩到粉碎或碎。张力是一种试图使建筑材料变长的拉力。在拉力试验中，施加足够的力把材料拉开。剪切试图使建筑材料或结构部件彼此滑动。在剪切试验中，施加力使材料分离。混凝土锚杆的使用就是抗剪的一个例子。当将地脚放入混凝土孔中时，要插入螺栓或螺钉并拧紧。收紧会使锚膨胀。抗剪力使锚固定在混凝土中。 The common nail is another type of building fastener that resists the forces of shear. A gang-nail plate used on a lightweight wooden truss somewhat resists shear.
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| (4)木地板搁栅(梁)由钢梁支撑，支座位于钢梁的上翼缘上。 |
结构构件在荷载作用下必须改变形状。如果构件不改变形状，则不存在结构荷载。施加的力导致了形状的改变。在大多数结构中，当结构构件承受正常荷载时，眼睛不会察觉到形状的变化。
结构成员
基本结构构件是柱、梁、梁、楼板和屋面板。墙是结构构件的一部分。它们有时是结构承重，尽管大多数时候柱的规则适用于墙壁，就像梁/梁规则适用于地板和屋顶。
列
柱是受压并沿柱的方向沿直线传递其荷载的结构构件。圆柱通常被认为是垂直的，但它们也可能是水平的或对角的。伊利诺伊州芝加哥市的约翰·汉考克大楼在其可见结构中使用了抗风支撑。这种风支撑在施加风荷载时为结构提供刚性。这些支撑必须抵抗结构中由风引起的压缩力和张力。支撑通常设计和放置在柱之间的对角;有时它被水平放置在两列之间。
通常，支撑被称为耙子或支柱，例如，当墙板垂直升起时，但在墙板与屋顶结构连接之前，在倾斜墙建筑中使用的临时支撑。并非所有水平构件都是柱;结构荷载必须在受压时通过构件。通常，非垂直柱被称为耙子或支柱。有时施工人员会提到“弯曲”，这是一排排成一行的柱子。海湾是任何两个弯管之间的开放空间。
列有三种基本类型;它们的区别在于它们通常失败的方式。这些基本名称是桥墩、中间柱和细长柱。这些专栏的名字没有引起太多的思考，但它们的失败是不同的。细长柱因弯曲或扭转而破坏，称为“屈曲”。墩，或蹲柱，因压碎而倒塌。中间柱可能以任何一种方式失效。
柱的长度决定了其承载能力。一列越短，它能载的东西就越多。柱的结构承载能力随长度的增加而减小。柱子的强度损失与长度变化的平方成正比。16英尺高的柱子承载的重量是8英尺高柱子的四分之一。一旦一根柱子开始倒塌，抵御倒塌的后备力量就很少了——换句话说，一旦一根柱子开始倒塌，你可能就不会去阻止它了。将支撑牢固地置于柱的中点，可以有效地提高柱的承载能力，使两根柱的长度和强度相等。即使有这种支撑，当达到临界屈服荷载时，柱子也会迅速倒塌。
柱是圆柱形和空心的，允许负载放置在尽可能远离圆柱体中心的地方。用圆形圆柱体建造是困难的。将梁连接到圆形的柱子上可能会在最终的装修中导致美学设计问题。流行的柱形有圆形、方框和可能是最流行的h形。这些形状很适合柱形理论。“H”和方框设计将允许绘制一个圆，围绕“H”的每条腿的顶部和底部，或方框的四个角，同时向下看柱子的末端。将梁、梁、墙和其他建筑构件安装到箱形和“H”形上比将建筑构件安装到圆形上更容易。
理解结构荷载:梁/梁
梁/梁将力垂直于“反力”点(支撑点，典型的柱子)的方向传递。梁是支撑其他梁的梁。传递到梁上的荷载与传递到梁上的荷载相同。当梁承受荷载时，力垂直传递，或以直角传递到梁的支撑构件上。梁的负荷将使梁向下弯曲。弯曲作用使梁的顶部受压，梁的底部受拉。
梁的类型有很多种:简单的、连续的、固定的、悬挑的和悬臂的都不多。梁受到荷载，将力侧向转动，并对梁的支撑构件施加应力。我在上面提到过，有些柱子可能是水平的;横梁也一样:横梁可以是水平的，也可以是垂直的。例如，屋顶椽是一根朝向的梁，它使你不会把它当成梁。
梁的深度决定了它的承载能力。梁的承载能力按其深度的平方增加。看看桁架:顶部和弦和底部和弦之间的距离越大，桁架能承载的东西就越多，或者说它能跨得更远。当观察一根横梁时，注意它的深度和从顶部到底部的距离。然后你就能确定相对于周围梁的承载能力。当看梁时，你可能会注意到一些区域的大梁。它们很可能比位于它们上面的光束要大。
梁也可以悬挂而不是坐在柱子上。规则仍然适用:力是横向转动，然后传递给它的支持成员。在悬挂梁的情况下，梁的负载使一个附加的支撑构件处于张拉状态。支撑构件可以是链条、缆索或由其他东西支撑的钢杆。在悬挂梁的布置中，梁的顶部部分将处于压缩状态，而底部部分将处于张拉状态，这与任何其他梁相同。
在跨中放置荷载的两端支撑的梁将会偏转。这种挠度导致梁的顶部部分被放置在压缩和梁的底部部分被放置在张力。在梁的中心会有一小部分材料没有施加应力;这就是所谓的“中立平面”。这个中性平面只用于保持梁的压缩部分和受拉部分与梁的长度保持相等的距离。在这个中性平面需要的材料较少。这就是为什么许多桁架是开放式设计的原因。梁荷载是指荷载在梁上的分布。我们在消防部门称之为“集中”或“分散”负荷。负载分配得越多越好。 Concentrated loads may lead to local collapse.
理解结构荷载:墙壁、地板和屋顶
墙，像柱子一样，通过压缩力将负载传递到下面的地板，另一面墙，或通过基础墙的土。墙体单元会像一根细长的柱子一样对力起反应。墙也可能被要求发挥梁的作用，抵抗挠曲力，如风荷载。
墙壁有两大类:承重和非承重。非承重墙只能承受自身的重量和墙内的重量。条形商场一般都有砖石和钢承重墙。分隔各仓库的内墙是不承重的。可拆除而不支撑上述结构的内墙为非承重墙。办公室的隔墙和住宅结构外部的砖饰面是非承重墙的另一个例子。承重墙将支撑在墙之上的部分结构，这部分结构可能是另一面墙、地板或屋顶。承重墙将比非承重墙更稳定，因为它可以附着在顶部和底部。这个重量将为墙创造一个更稳定的环境。承重会引起挠度，并决定了负载的存在; this load will help to stabilize the wall.2
许多新的结构，其中一些是多层的，是用倾斜板混凝土墙建造的。斜板混凝土墙可为承重墙或非承重墙。非承重倾斜板墙板有周长钢柱和边梁来支撑垂直的楼板和屋顶荷载。3.注意你的地盘上的新建筑。承重倾斜板结构和非承重倾斜板结构的屋顶组件(以及这种结构的多层建筑的楼层)系在墙壁上。如果屋顶在火灾条件下失去，消防人员一定非常担心墙壁倒塌。
倾斜板混凝土墙将在90º角倒塌。这种坍塌可能是向外的，也可能是向内的;不管怎样，这对在坍塌区工作的消防员来说都是危险的。正在建造的倾斜板楼是非常危险的。墙壁被一种叫做“折磨者”的假支撑暂时固定住。这些折磨人的东西可能是钉在地上的轻质铝杆或木板;它们围绕着墙，并与石板成一定的角度。突然的负荷，比如在狂风暴雨中，可能会使施虐者负荷过重。施工现场不稳定的地面也可能导致施虐者松动，增加对剩余施虐者的需求。(1）
屋顶系统对消防工作至关重要。屋顶组件是我们找到“主导垂直通道”的地方4对通风。这是火灾自然传播的地方，我们必须通风，以减少火灾蔓延，使室内条件更站得住脚。屋顶组件从仅仅防止天气进入结构到为外墙提供稳定。
大多数新的轻量化建造方法要求屋顶是一个非常重要的结构部件。旧建筑并不一定要求屋顶是结构的一个整体部分;例如，停车场甚至没有屋顶。屋顶组件以最轻的施工方法将墙壁固定在一起;支持雨雪荷载;抗风应力;并支持集中负荷，如暖通空调机组，标志，和许多其他非设计负荷改造后的建筑。
屋顶组件可能非常简单，如木椽，更复杂的桁架系统支持大跨度屋顶。屋盖结构的设计荷载不如楼板荷载大。不燃结构可以有可燃屋顶覆盖物或屋顶结构。
随着当前“绿色”或环保建筑和装修的趋势，使用自然光变得越来越普遍。新的结构有更多的开口来让光线通过。它们可能是传统的天窗或更薄的面板。翻新的建筑使用了同样的建筑技术和建筑特征，可能是在屋顶上，而不是为节能技术和我们今天拥有的自然采光而设计的。将现代建筑技术与旧建筑相结合可能会导致结构不能按照设计或我们可能认为的方式运行。在火灾条件下的初步评估中，建筑物的翻修可能不会被注意到。你的快速观察可能会让你相信这栋建筑从未翻修过。旧建筑的翻新将继续进行，这是应该的。记住，它可能不会以你所期望的原始构造方法的方式产生反应。最初的尺寸很少，如果有的话，允许观察屋顶组件。 Older building materials replaced with newer lightweight construction methods will not react the same way.
地板将荷载传递到托梁(梁)上。传递荷载的量取决于荷载点离托梁的距离。有些楼层被设计用来支撑较重的荷载，而有些楼层可能被设计来仅支撑住宅结构中的荷载。想象一下住宅结构，设计楼面荷载为每平方英尺40磅，被转换为律师办公室，这相当于一个图书馆的书架，设计荷载为每平方英尺150磅。(1)检查是否安装了适当的钢筋来支撑附加荷载。
与当地建筑法规官员保持良好的工作关系是很重要的。这些官员具有确定结构构件承载能力的经验和知识基础。对于消防队员来说，进入他们指定的区域并研究建筑方法也同样重要。有了良好的工作关系，执法人员和消防人员就可以共同努力，确保社区安全。
负载实施
荷载如何集中在建筑构件上也很重要。扭转载荷就是扭转载荷。有些车辆采用扭杆悬挂;车辆附在弹簧钢杆(扭力杆)的一端，而车轮附在另一端。道路上的颠簸被扭力杆的扭转作用所吸收。虽然建筑物的扭转载荷不是设计成弹簧的，但载荷和应力是相同的。结构构件失效的建筑物经常将非设计的扭转荷载施加在剩余的结构构件上。这些非设计应力可能导致进一步的坍塌。
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| (5)钢制防火梯对木框墙施加偏心荷载，因防火梯荷载不通过木框墙中心。 |
采用开放式腹板平行索轻钢桁架的屋面系统，将屋面荷载水平转移到支撑柱上。所有的屋顶桁架相互配合。如果这些桁架中的一个或多个失效，其余的成员，旁边的失效的，将有一个扭转载荷放置在他们。这种扭转载荷是非设计的。桁架能够处理设计荷载，通过拉压将荷载传递给支撑柱。施加在其上的扭转载荷可能会导致破坏，因为桁架不能处理所有的附加力。
轴向载荷是通过结构构件中心线的载荷;结构构件的所有部分受力相同。
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| (6)这张照片详细说明了金属扣板连接器在轻型木桁架上的使用。注意连接器的厚度有限，缺乏质量控制，这允许25%的扣板连接表面连接到任何东西。 |
偏心荷载是指集中在承重墙或柱子一侧的荷载。荷载是直的，但只对柱的一侧施加应力。偏心荷载的一个例子是多层气球框架建筑的侧壁。地板附件是一个丝带板，是附加到侧壁的一面。这个缎带板可能是榫入的螺柱或只是钉到螺柱。楼板荷载将把墙螺柱在受压的一面和在相反的一面。外部防火梯是施加偏心荷载的另一个例子。
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| (7)金属扣板暴露在火条件下，扣板的齿将热量传导到木材纤维中，木材纤维开始分解。扣板也可能翘曲，并开始剥离轻木桁架。 |
荷载如何传递到地面是至关重要的。Brannigan经常要求我们“脱掉建筑物的衣服”，意思是我们看看支撑结构。他使用术语“重力抵抗系统”来形容支撑的柱子、梁、地板和屋顶。测试建筑材料的抗压、抗拉和抗剪性能。当观察这个重力阻力系统时，观察组件，并追踪到地面的负载。这将帮助您确定结构是如何构建的。了解火灾行为和热传递也将有助于确定结构将如何反应。
结构部件对热的反应
热以各种方式影响建筑部件。有些部件燃烧起来，火上浇油;另一些则在一段时间内吸收热量，并将热量通过结构部件传导到另一个位置。了解结构部件的压缩、拉伸和剪切应力将帮助你确定当结构部件暴露在火的热量下时可能发生的反应。
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这座建筑是混合建筑的一个范例。结构的下层是用钢和砖石材料建造的;上层是轻型木结构建筑。随着施工的进行，我们将能够确定钢柱和钢梁是否会被防火材料保护，以给予钢一个耐火等级。 |
有张力的物体抵抗着使它们变长的力。热使金属物体伸长;因此，对加热的反应表现为被拉伸的物体所抵抗的完全相同的力。这是热膨胀;当被加热时，构成这种材料的原子增加了运动。我们在基础训练中了解到，一根100英尺长的钢梁在1000华氏度(1)下可能会伸长近10英寸，有时会导致墙壁倒塌。现在，我们在轻钢结构中也看到了同样的热反应——不是墙向外推，而是轻钢材料变得弯曲或“S”形，垂直于荷载，或显示出其他变形。强度不在于推墙的材料，而在于伸长率。有些东西必须放弃;因此,畸形。
在大多数情况下，受拉构件比受压构件小;因此，质量不存在吸收传热。结构部件将拉长或变形。简单地在结构部件上放一个软管流，并将其冷却到低于反应温度，将使钢部件恢复到接近其原始强度。请记住，组件不会返回到原来的形状。结构钢现在可能不能支撑结构，但它会很坚固。
关于木桁架结构中的金属扣板或钢钉已经写了很多。木桁架行业认为，这种金属会反射木材的热量，但这并不重要，因为木材太薄，不能吸收太多的热量。钢钉板也很薄，不能吸收太多热量。底弦上的钉板处于张力状态。加热后，它们会变形，与木材分离。这又是一个例子，结构构件在张力作用下对热发生反应。
看看火灾中的木桁架。大多数情况下，受压和弦上的组钉板虽然变形了，但仍然完好无损，而受压和弦上的组钉板却不见了。处于紧张状态的成员可能是第一个在火灾条件下失败的。建筑构件在剪应力作用下可能对热有不同的反应。在前面提到的混凝土锚的情况下，如果螺栓插入铅锚，热量会导致铅变弱，锚拉出。在混凝土中加入钢锚，当混凝土吸收热量并将其传递给金属锚时，钢可能会膨胀并变得更紧。当然，一旦钢铁达到一定的门槛，它本身就会变弱。由于剪切作用，钉子不易被拔出，其剪切强度不同。一根又长又细的钉子，尤其是涂有水泥的钉子，比普通的钉子能传递更少的热量。剪切保持螺丝在地方，提供更大的保持力量和更少的损害比钉子的核心材料。
当确定建筑材料在火灾中会发生什么时，存在许多变量。我们可以笼统地谈论建筑物，也可以具体地谈论建筑物或结构部件。互联网上发布了许多研究结果。在观看材料时，看看实验是在什么时候进行的，如何进行的，并确定实验结果是否可以复制。制造商的测试有时会增加对制造商有利的数据。当复习材料时，看看测试是如何进行的，以什么标准进行的。5在测试有机建筑材料时，含水率是可变的——新木材不会像旧房子里的木材那样干燥。非常干燥的木材不如含有水分的木材结实，比如刚出窑时。6例如，南方黄松在公称尺寸为两英寸的情况下被窑干燥至含水率12- 15%。“新鲜木材”或新砍伐的木材被认为含有23%的水分。烘干木材的含量在6%到15%之间，这取决于木材的类型和需要的用途。7窑干木材也被认为比木材堆放和允许自然干燥更坚固。8
在火灾情况下，混合建筑或使用建筑材料(混凝土、钢和木材)的建筑的行为是非常难以预测的。如今，许多建筑都是使用“性能”规范要求建造的，而不是传统的规范要求(在规定构件尺寸的地方)，这意味着结构必须支持给定的负载，使用设计师选择的任何建筑材料/结构设计。现在许多建筑都是用数学公式和较轻的材料建造的。随着时间的推移，这种数学与质量(吸热能力)的对比会越来越受欢迎。节能和降低成本的技术(使用再生材料和新开发的建筑材料)将在未来挑战消防服务。
当我们在建筑中行走时，我们应该考虑的是建筑构件的受力方式，以及在火灾条件下应力将如何反应。让这种“对周围环境的意识”浮现在你的脑海中。试着让它成为一种习惯，了解你周围是什么，结构是如何建立的，以及负荷是如何到达地面的。此外，考虑热将如何影响重力-阻力系统。
参考文献
1.争吵,弗朗西斯·L . .消防局建筑施工，第3版、第五次印刷。全国消防协会，1995年。
2.邓恩,文森特。《燃烧建筑物的倒塌:消防安全指南》。188金宝搏是正规吗消防工程,1988。
3.Remmetter, Walters和Steinbicker，“多层倾斜建筑”，结构杂志2008年7月22-25日。
4.科尔曼,约翰。精明的街头消防官的事故指挥。(俄克拉荷马州塔尔萨:消防工188金宝搏是正规吗程，1997)。
5.Dansbach, Paul，“消防员的建筑施工”，FDIC 2002级笔记。
6.http://en.mimi.hu/home/kiln-dried.html/。
7.http://www.treesearch.fs.fed.us/pubs/9166/。
8.消防队员手册德尔玛,2000。
杰伊·d·迈克尔他在紧急服务领域有30年的经验，在埃尔克哈特(Elkhart)消防局工作了24年，是一名中尉。他是印第安纳州的消防官和教官。他是埃尔克哈特消防部门培训学院和圣母大学密歇根消防和紧急服务学院的兼职讲师。他是印第安纳消防指导员协会和国际消防指导员协会的成员。他的专业领域包括事故管理、建筑施工和火灾行为。
原本跑在第163卷第6期．
