Расчет легких металлических конструкций

Обновлено: 05.10.2024

Расчет и проектирование металлических конструкций

Проектирование и расчет металлических конструкций

В один прекрасный день вы получаете от заказчика задание на проектирование и расчет металлической конструкции. С чего начинает свою работу опытный проектировщик? Правильно: с детального изучения поставленной перед ним задачи. Каково назначение предполагаемого здания? Где оно будет возведено? Срок ввода в эксплуатацию. Правильное составление проектной документации - еще один важный фактор. Не лишним будет также ознакомиться с требованиями, которые предъявляются к расчету и проектированию металлоконструкций на стадии их изготовления.

Требования к металлическим конструкциям:

1) придерживаться экономии в расходовании основных строительных материалов;
2) выбирать наиболее эффективные как с технической, так и с экономической точки зрения сборочные чертежи объектов и соединения их деталей;
3) максимально использовать в создании построек единообразные образцовые установки;
4) применять высокотехнологические устройства на стадии образования и сборки (к примеру, сборочные установки, как несущие, так и ограждающие;
вантовые и тонколистовые устройства и смежные, из двух марок стали, а также тонкостенные, прокатные, гнутые и гнутосварные изделия проката);
5) предпочитать установки, малозатратные при их выполнении, доставке, сборке, благодаря которым будет серийным производство и конвейерная сборка;
6) применять эффективные заводские соединения: полуавтоматической сварки, фланцевых соединений на болтах, с фрезерованными торцами, на высокопрочных болтах;
7) при изготовлении установок, их комплектующих деталей соблюдать нормы ГОСТ.

Проектирование металлических конструкций

Ознакомившись с основными требованиями, переходим теперь к проектированию металлических конструкций. Оно начинается с подбора разработчиком наиболее эффективных конструктивных форм, которые обеспечивают экономию металла, наименее трудоемки в изготовлении и быстро возводятся. Для этого инженер сравнивает проектные варианты, в которых представлены оценка различных чертежей здания, отдельных его деталей и соединений.
Затем начинается составление проектной документации.
Она делается в два этапа. Первый более длительный, так как собирается сначала технический проект, затем - рабочие чертежи. Разработчику приходится сравнивать несколько программ, прежде чем найдется та, которая будет экономична в архитектурном, конструктивном и технологическом решении. Затем происходит определение перечня изделий и металлических конструкций, где будет находиться материал, проходить транспорт и канализационные сети. На втором этапе сразу начинается разработка проекта с чертежами. Обычно он предпочтителен, когда возводятся простые строительные или типовые объекты.
Набросок делают в графической части технического проекта четко , дабы потом разъяснить проектируемые схемы . Рабочие эскизы выполняют, когда одобрят техническую часть проекта.
Наброски установок делаются разработчиками на стадии КМ (конструкции металлические). Здесь происходит детальная проработка всех сборочных чертежей, выполнение, выбор деталей, соединений, определение свойств используемого металла. По рабочим чертежам КМ изготовители, в основном, заводы, выполняют подробные схемы - это стадия КМД (конструкции металлические, деталировка). Схемы КМД делают на выпущенные устройства, которые отправляются на места строительства. В них для инженеров содержатся вся информация по их изготовлению. Прежде чем выполнить схемы "КМД", изготовители подробно знакомятся с технологией установок, их деталями, в каком порядке их делать, как защищать от коррозии, проводить оценку качества выполненной конструкции, чтобы потом не делать исправлений при ее сборке.
Разработка чертежей «Конструкции металлические деталировка» - трудоемкий этап инженерной работы , его себестоимость составляет порядка 15 - 20 процентов от цены производства самой установки.

Расчет легких металлических конструкций

Примеры расчета металлических конструкций

Приведенные ниже примеры расчета металлических конструкций являются основой для проектировщика. Остановимся на них подробнее. Начнем с примера расчета металлических конструкций по предельным состояниям. В таких вычислениях важно обеспечить сооружению при возведении заданные характеристики, снабдить его устойчивость, минимизировать затраты металла и труда разработчиков.

СНиП – строительные нормы

По нормам СНиП II-А 10-72 строительные установки и основания рассчитываются по предельным состояниям. Предельные состояния возникают тогда, когда построенная конструкция вдруг перестала отвечать требованиям, которые были заданы ей в момент эксплуатации или при стройке. Потому-то в момент возведения конструкции инженеры ведут расчеты на действие статических и динамических нагрузок, которые могут возникнуть во время строительства или после него. Предельные состояния разделяются на два вида. Первый – потеря несущей способности или неготовность к эксплуатации, второй – непригодность к нормальному использованию технических средств постройки. В первом случае это происходит, когда теряется устойчивость формы и положения, возникают различные разрушения, текучесть материала, сдвиг соединительных элементов конструкции. Во втором случае имеется в виду появление трещин, прогибов, осадок. Как правило, такое случается с каменными и железобетонными установками.

Потому-то расчет металлических конструкций должен гарантировать защиту от подобных явлений. Для состояний первого вида расчет ведется по формуле N ≤ Ф, где N – усилие в рассчитываемом элементе устройства или нагрузка, а Ф – несущая функция свойств материала и размеров элемента. Естественно, инженеры выбирают для N набольшее напряжение, которое может привести к затруднению ввода постройки в эксплуатацию. Оно вычисляется за счет расчетных нагрузок, которые обозначают как P (наибольшие или часто повторяющиеся внешние воздействия на сооружение). Величина P определяется умножением основных нагрузок Ри на коэффициент сочетаний nс. Предельные состояния вычисляют, умножая нагрузки или вызываемые ими усилия на коэффициент сочетаний nс. В итоге усилие рассчитывается по формуле N = ∑nc Pи_i n_i a_i, где a₁ – усилие при P₁=1
Ф – несущую способность и предельное усилие материалов – вычисляют по минимуму. Ф получают умножением геометрической характеристики сечения F (момента сопротивления) на расчетное сопротивление R. Расчетное сопротивление определяют, деля нормативное сопротивление RH (оно устанавливается исходя из норм учета статистической изменчивости и контроля) на коэффициент безопасности по материалам rm и коэффициент условий работы конструкций mk. Затем полученное множество делят на коэффициент надежности rH, обозначающий степень капитальности сооружения, важность наступления предельных состояний. rH устанавливается по стандартам проектирования. Для большинства построек коэффициент надежности равен 1. Исходная формула для расчета предельного усилия Ф выглядит так: (mk ÷ rH) × F (RH ÷ rм) = (mk ÷ rH) FR.
Теперь неравенство N ≤ Ф будет выглядеть так: ∑nc Pи_i n_i a_i ≤ (mk÷Rи) F (Rи÷ Rм). Можно записать иначе: ∑nc Pи_i n_i a_i ≤ (mk÷rи) FR. Таков пример основного расчета металлических конструкций.

Расчет огнеустойчивости металлических конструкций

Немаловажно для инженера просчитать и степень огнеустойчивости конструкций – гореть может и металл, правда, не так молниеносно, как древесина, но деформации и неустойчивости такой конструкции не избежать. Обычно температурные воздействия вычисляют на этапе возведения постройки; определяют возможную разность температур во время эксплуатации конструкции (температуру замыкания) и перепад температур по сечению элемента.

Сколько времени может продержаться установка при возгорании? Обычно порог устойчивости к огню стальных установок зависит от размера деталей разреза, имеющихся воздействий и составляет от 5 до 35 минут. Устойчивость построек при возгорании вычисляют по толщине материала. По ГОСТ Р 53295-2009 длина в поперечнике металла вычисляется делением величины в длину и ширину поперечного сечения установки к ее периметру. Расчет огнеусточивости вычисляется по формуле: F_пр= Sx10 / P , где F_пр – толщина металла (мм), S – площадь поперечного сечения (см 2 ), P – периметр (см).

Узнав степень огнеустойчивости, можно приступать к выбору необходимого инструментария противопожарной защиты. Для повышения защиты металлоконструкции от огня обычно используют минеральную вату, гипсокартон, огнеустойчивые краски. Меньших затрат подрядчику будет стоить применение минеральной ваты и гипсокартона, противопожарная защита которых длится больше 90 минут. Но их нужно закрывать, что привело бы к изменению архитектурного стиля постройки и к ее нагромождению. Огнеупорная краска позволяет возводимые конструкции оставлять открытыми, никаких неудобств и изменений замыслов проектировщика. Но есть и свой недостаток: во время нагрева краска вспучивается и расширяется, а защитный слой обугливается. Получается не очень эстетично. Но, хотя теплоизолирующий слой обгорает, он растягивает период нагревания постройки до критической температуры. Для сравнения: металлоконструкция, не обработанная огнестойким покрытием, при температуре выше 900 градусов деформируется за пять минут.

Правильные расчеты огнеустойчивости металлических конструкций помогут предотвратить пожары и уменьшить разрушительные последствия для зданий в случае возгорания.

С чего начинается расчет легких металлических конструкций? У каждого проектировщика своя методика. Но лучше начинать с детальной технико-экономической оценки возведения объекта, являющейся важной составляющей строительной сметы. Она дается исходя из анализа стоимости на один квадратный или кубический метр здания или один метр конструкции, а также учета затрат на ее изготовление и сроков установки. К примеру, цена стальных конструкций складывается из тарифа изделий, полученных прокаткой (60 – 65 %), заводского изготовления (16 – 22 %), стоимости монтажа (5 – 20 %), эксплуатационных расходов, которые составляют около 2%.
Менее затратной является металлоконструкция с наименьшим собственным весом, поэтому усилия проектировщиков направлены на улучшение имеющихся установок и их деталейв пользу небольшого расхода металла.
Опыт советских и зарубежных ученых показывает, что повысить технико-экономические показатели металлических конструкций можно за счет широкого применения в строительстве установок из низколегированных и высокопрочных сталей с использованием эффективных профилей проката. К примеру, вес каркаса заводского сооружения будет меньше, если использовать фермы (сооружения из скрепленных стержней и брусьев) из трубчатых, гнутых и гнутосварных профилей, тавров и широкополочных двутавров.

Прим. авт. Профиль – это изделие, полученное прокаткой, прессованием, формовкой между валками; тавры – сплошные профили, в поперечном сечении которых отсутствует полое пространство, двутавры – металлические балки, которые в сечении напоминают букву Н).
Подобные стальные установки в несколько раз меньше железобетонных, имеют наименьшую трудоемкость изготовления и стоимость. Используются в сооружениях в виде высокого столба, служащих опорой для здания, сооружениях из скрепленных стержней, в части, несущей рельс кранового пути и воспринимающей нагрузки от ходовых тележек мостового крана, резервуаров, газгольдеров, мостов. Такой выбор оправдан: повышается качество возводимых установок, экономится сталь в заменяемых частях. По данным ученых, стропильные фермы из трубчатых элементов, которые используются в легких металлических конструкциях для покрытия здания, экономия стали составляет 15 – 20%. Если трубчатые детали выполнить из стали высокой прочности, то затраты металла уменьшатся примерно на 40%, потраченное время на производство – в 1,6 раза, цена снизится на 20%. Вот такой математический расчет.
К другим видам легких металлических конструкций относятся тонкостенные прогоны, имеющие толщину 3,5 миллиметра. Прогоны – это элементы покрытия здания, укладываемые по основным несущим конструкциям. Сюда же можно отнести балки с перфорированной стенкой, легкие колонны постоянного сечения. Лучше разрабатывать такие установки вместе с предписаниями для металлопокрытия и ламината.

Программы для расчета металлических конструкций

Лет 50 назад проектировщику приходилось затрачивать большое количество времени, чтобы сделать расчеты металлических конструкций, которые выполняли математики. Теперь для автоматического выполнения алгебраических, инженерных расчетов применяются как портативная ЭВМ, так и мощнейшая вычислительная техника. И все же, такие вычисления для многих остаются сложны, ведь прежде чем производить их на компьютере, разработчик должен знать основы правил для решения данной задачи, пользоваться хотя бы одним языком программирования. Выход был найден, когда вышли в свет специальные комплексные программы, объединившие математические и инженерные расчеты. Это Mathcad, MatLab, Mathematica, Maple, MuPAD, Derive.

Mathсad – инженерный калькулятор

Специализированный пакет Mathcad наиболее удобен для инженеров, ведь он объединяет систему выполнения научных и технических вычислений. Что такое MathCad? Это инженерный «калькулятор» или система ведения документов по тому или иному техническому проекту. Любая ошибка, которая может возникнуть в процессе расчета, часто приводит к серьезным последствиям. Чтобы такого не происходило, в Mathcad предусмотрена система документирования в легком, читаемом формате. Кроме того, есть возможности для программирования, что значительно сокращает время на разработку различных изделий, повышая их качество и соотнесенность к общепринятым стандартам. Программа снабжена несложным в освоении и в работе графическим интерфейсом: редактор записей, комбинации математических знаков, калькулятор, инструментарий технической и научной графики, а также большая база информации по точной прикладной науке и инженерному делу. В текстовой редактор вводят и редактируют записи. Редактор также включает в себя алгебраические знаки, слова. С помощью формульного процессора производится «многоэтажный» ввод формул в привычном математическом наборе. То есть можно делить, умножать, извлекать корень, находить интеграл, складывать. Новая программа Mathcad – 14 обеспечивает поддержку кирилличного алфавита в объяснениях, математических словах, в схемах. Калькулятор производит расчет по сложным теоремам. В программе есть необходимый инструментарий знаковой математики, который позволяет выполнять решения за счет компьютерные аналитических видоизменений. Широки возможности и графического процессора. Графика обеспечивает решение типичных математических задач. Мгновенно можно преобразовать масштаб чертежа, наложить на рисунок сноски, передвигать чертеж в файле. Mathcad – 14 объединен с Pro/ENGINEER . Теперь все желающие могут соотнести любую линейную последовательность записи Mathcad с изделием и монтажом Pro/ENGINEER с помощью программы Pro/ENGINEER.
Подводя итог сказанному, хочется отметить, что программное средство Mathcad для инженеров хорошо тем, что в нем все прозрачно в расчетах металлических конструкций.

Arm Civil Engineering - проектирование и расчет металлических конструкций

Незаменимы для проектирования и анализа металлических конструкций, а также системы их расчетов пакет программы Arm Civil Engineering. В нем есть необходимый инструментарий в подготовке образцов металлических конструкций различного назначения при произвольном нагружении и закреплении. Кроме того, Arm Civil Engineering , позволяет сделать выбор поперечных сечений, исходя из их основных характеристик, детально их проанализировать, а также оформить конструкторскую документацию по требованиям основных форм стандартизации.
Безусловно, мы коснулись лишь малой части системных компьютерных программ, по которым можно автоматически выполнять
расчеты металлических конструкций. Надеемся, что наши тезисы помогут вам в выборе оптимальных расчетов металлических конструкций.

Читайте также: