Расчет металла на прочность

Обновлено: 18.05.2024

Расчет прочности детали во многих случаях выполняют методами сопротивления материалов, для которых существуют определенные и зафиксированные параметры и величины, позволяющие проводить минимальные исследовательские работы. Расчеты выполняются в виде документа определенной формы, содержащего установленные информативные блоки. Расчетные операции производят для каждой отдельно взятой детали, входящей в состав сложного устройства, изделия или конструкции. Затем полученные данные используют для изготовления прочных и функциональных объектов.

Порядок расчета прочности детали

Существует рекомендованный порядок производства расчетных операций:

Составление расчетной первоначальной схемы с планированием и проектированием последующего производства;
Определение нагрузок, которые будут действовать на деталь в процессе эксплуатации и длительного использования по назначению в конкретных условиях;
Реализация проверочного расчета по основному критерию воздействия для получения результатов с помощью определенных методик;
Сравнению полученных итогов с установленными границами допустимых норм, зафиксированными в отраслевых стандартах, нормативных актах и ГОСТах.

Расчет обязательно содержит ссылки на все отраслевые нормативные утвержденные акты для соответствия заявленных данных во всех документах, касающихся непосредственно исследуемого объекта или детали. Расчет детали является полноценной частью общих расчетов изделия на прочность, результаты которого позволяют определить габариты, параметры, функционал, размеры и материалы, на основании чего происходит организация производства объектов. Расчетных операций может быть несколько, в зависимости от количества разновидностей деталей в составе объекта.

Порядок производства расчетов подразумевает обязательный анализ таких факторов воздействующих сил, как сжатие, растяжение, изгиб, кручение в виде комбинированных форм или отдельных направленных действий. Своевременно составленные расчеты позволяют заранее спроектировать поведение готовой детали при тех или иных нагрузках, предусмотреть возможные поломки и порчи вследствие таких воздействий.

Что учитывается при составлении расчета на прочность детали

Нагрузки, влияющие на поведение элементов и деталей, могут быть следующими:

Инерционные силы при движениях и колебаниях, изменении амплитуды движения;
Реактивные действия (противодействия при соприкосновении с другими деталями и элементами);
Влияние химических и агрессивных сред, в результате чего могут возникнуть деформации и разрушения деталей;
Естественные процессы в виде устаревания, коррозии, усталости метала, разрушение других материалов с течением времени без постороннего вмешательства;
Температурные перепады, изменения показателей давления;
Влияние собственного веса детали на процесс эксплуатации изделия в целом;
Чрезвычайные непредусмотренные нагрузки в виде климатических осадков, ветров, сейсмической активности, в случае, если готовый объект может быть подвержен такому воздействию.

Допустимые пределы прочности устанавливаются заранее согласно нормам и методикам сопротивления материалов. Информация является обоснованием для производства расчетов и сравнением полученных данных с имеющимися. Результаты оформляются в виде таблицы для наглядности и возможности быстро и эффективно проанализировать информацию для принятия верного решения в аспекте изготовления деталей и дальнейшей сборки объекта в целом.

Расчет утверждается руководителем предприятия, фиксируется подписью и печатью организации, позволяет сделать производство эффективным и выгодным, избежать дополнительных расходов, обеспечить необходимый уровень безопасности сотрудников и персонала при работе со сложными объектами, профильным оборудованием и специализированными устройствами, эксплуатация которых влечет существенные риски.

Расчет металла на прочность

Перед началом расчета стальной балки необходимо собрать нагрузку, действующая на металлическую балку. В зависимости от продолжительности действия нагрузки разделяют на постоянные и временные.

К постоянным нагрузкам относятся:

собственный вес металлической балки;
собственный вес перекрытия и т.д.;

К временным нагрузкам относятся:

длительная нагрузка (полезная нагрузка, принимается в зависимости от назначения здания);
кратковременная нагрузка (снеговая нагрузка, принимается в зависимости от географического расположения здания);
особая нагрузка (сейсмическая, взрывная и т.д. В рамках данного калькулятора не учитывается);

Нагрузки на балку разделяют на два типа: расчетные и нормативные. Расчетные нагрузки применяются для расчета балки на прочность и устойчивость (1 предельное состояние). Нормативные нагрузки устанавливаются нормами и применяется для расчета балки на прогиб (2 предельное состояние). Расчетные нагрузки определяют умножением нормативной нагрузки на коэффициент нагрузки по надежности. В рамках данного калькулятора расчетная нагрузка применяется при определении прогиба балки в запас.

Нагрузки можно собрать на нашем сайте.

После того как собрали поверхностную нагрузку на перекрытие, измеряемой в кг/м2, необходимо посчитать сколько из этой поверхностной нагрузки на себя берет балка. Для этого надо поверхностную нагрузку умножить на шаг балок(так называемая грузовая полоса).

Например: Мы посчитали, что суммарная нагрузка получилась Qповерхн.= 500кг/м2, а шаг балок 2,5м. Тогда распределенная нагрузка на металлическую балку будет: Qраспр.= 500кг/м2 * 2,5м = 1250кг/м. Эта нагрузка вносится в калькулятор

2. Построение эпюр

Далее производится построение эпюры моментов, поперечной силы. Эпюра зависит от схемы нагружения балки, вида опирания балки. Строится эпюра по правилам строительной механики. Для наиболее частоиспользуемых схем нагружения и опирания существуют готовые таблицы с выведенными формулами эпюр и прогибов.

3. Расчет по прочности и прогибу

После построения эпюр производится расчет по прочности (1 предельное состояние) и прогибу (2 предельное состояние). Для того, чтобы подобрать балку по прочности, необходимо найти требуемый момент инерции Wтр и из таблицы сортамента выбрать подходящий металлопрофиль. Вертикальный предельный прогиб fult принимается по таблице 19 из СНиП 2.01.07-85* (Нагрузки и воздействия). Пункт2.а в зависимости от пролета. Например предельный прогиб fult=L/200 при пролете L=6м. означает, что калькулятор подберет сечение прокатного профиля (двутавра, швеллера или двух швеллеров в коробку), предельный прогиб которого не будет превышать fult=6м/200=0,03м=30мм. Для подбора металлопрофиля по прогибу находят требуемый момент инерции Iтр, который получен из формулы нахождения предельного прогиба. И также из таблицы сортамента подбирают подходящий металлопрофиль.

4. Подбор металлической балки из таблицы сортамента

Из двух результатов подбора (1 и 2 предельное состояние) выбирается металлопрофиль с большим номером сечения.

Проектирование металлических конструкций с применением BIM-технологий значительно упрощает работу как проектировщика, так и заказчика. Возможность детально проработать расположение всех металлических конструкций здания, а также их узлов соединения, дает качественно оценить всю конструкцию в целом, увязать с архитектурой и другими смежными организациями.

Программа Revit имеет большой арсенал готовых библиотек металлопроката согласно ГОСТ. Возможность создания своих библиотек металлических конструкций, их редактирование по основным параметрам, позволяет в дальнейшем экономить время на разработку отдельных элементов.

Не нужно забывать, что с применением BIM-технологий при проектировании металлических конструкций, в финале проектировщик автоматически получает готовую расчетную схему для расчета. Аналитическая 3D-модель экспортируется в расчетную среду в собранном виде. В своей среде программа Revit позволяет задать нагрузки на несущие конструкции, установить связи в узлах, назначить материал несущим конструкциям, а также задать грунтовый массив для дальнейшего расчета, что позволяет сократить время работы в расчетных программах.

Еще одно преимущество перед CAD-системами, это возможность автоматического составления спецификаций всех элементов, ведомости расхода стали и метизов. Часто приходится составлять примерную оценку расхода материалов еще на стадии Эскизного проекта. С помощью BIM- моделирования можно автоматически оценивать расход металла на любом этапе проектирования. В системах CAD, проектировщик вынужден вести подсчет металла математически, что допускает ошибки из-за человеческого фактора и соответственно, отсутствует возможность быстрой оценки расхода стали на весь объект.

Поиск коллизий и пересечений несущих конструкций со смежными проектами является важной составляющей согласования смежных разделов. Эти неприятные моменты могут оцениваться и устраняться силами всех смежных проектных групп сообща. Отпадает возможность работы каждой смежной проектной группы отдельно.

Расчет металлоконструкций

Чтобы произвести расчет металлоконструкций, необходимо правильно выбрать марку стали. При выборе стали следует руководствоваться двумя главными требованиями - обеспечить высокую надежность и экономичность. Так как для конструкций особенно опасны хрупкие и усталостные разрушения, то учитываются факторы им способствующие:

характер нагрузки (динамические и циклические нагружения);
вид соединения (острота концентратора напряжений, наличие растягивающих напряжений);
характер напряжений, наличие растягивающих напряжений;
диапазон низких климатических температур;

Кроме того, нужно принимать во внимание ответственность здания или сооружения. Класс ответственности регламентируется "Правилами учета степени ответственности зданий и сооружений при проектировании конструкций". Далее по таблицам из СНиП выбирают марку стали.

Сбор нагрузок.

После определения марок стали для конструктивных элементов - собирают нагрузку, действующую на металлический каркас. На металлическую конструкцию действует несколько групп нагрузок - постоянные; временные длительные; временные кратковременные; особые. Кроме того нужно учитывать монтажные нагрузки.

Нагрузки имеют два значения - нормативные и расчетные. Нормативные - максимальные значения нагрузок, не препятствующие нормальной эксплуатации. Расчетные - максимальные нагрузки, которые могут быть за расчетный период с заранее заданной степенью вероятности.

Расчет металлоконструкции.

Далее составляют упрощенную расчетную схему металлоконструкции. В зависимости от опирания конструкции - вводят в расчет различные схемы опирания конструкции. Основные виды опирания: шарнирно-подвижная, шарнирно-неподвижная и жесткая опора. Выбор той или иной схемы опирания зависит от конструктивного решения узла опирания. Конструкцию нагружают различными комбинациями загружения. Установлено два сочетания нагрузок - основное, в которое входят постоянные, длительные временные и кратковременные, и особое, в которое добавляется одно особое воздействие.

Все расчеты делятся на две группы - статические (силовые) и конструктивные. Цель силовых расчетов - определить усилия, действующие в конструкции (системе) и в каждом элементе. Этим занимается строительная механика.

Цель конструктивных расчетов - подтвердить, что при принятых размерах сечений ни одно возможное предельное состояние не наступит. При выполнении расчета прочности металлоконструкций в соответствии с техническими требованиями выполняются три основных проверки - прочности, общей устойчивости, жесткости (гибкости). Кроме этих основных расчетов элементов, осуществляется и другие расчеты металлоконструкций - проверки местной устойчивости, расчеты швов и другие. Все расчеты оформляются в расчетную записку для прохождения экспертизы.

Проектирование металлоконструкций.

После нахождения всех сечений металлоконструкций идет разработка проекта КМ. Конструктивные решения узлов соединения металлоконструкций должны полностью соответствовать принятым в расчетной схеме. Существует две стадии разработки чертежей КМ: проект(П) и рабочий проект (РП). В основном разрабатывают сразу рабочий проект. В чертежах КМ отражаются все полученные сечения металлопрофилей с указанием усилий, действующие в данных сечениях. Данные усилия (усилия для крепления) используются для расчета прикрепления болтов или сварки на стадии КМД. Также,в проекте КМ, должны быть отражены усилия действующие на фундаменты для дальнейшей разработки фундаментов (КЖ).

Расчет металлоконструкций на прочность

Расчеты металлоконструкций производятся индивидуально для каждого конкретного объекта. Расчеты на прочность позволяют сделать эксплуатацию эффективной, а использование объекта результативным на весь период полезного использования, а также избежать возможных разрушений, деформаций и материального ущерба, связанного с возникновением таких ситуаций.

Порядок и вид расчета металлоконструкций на прочность

Результаты расчетов фиксируются в определенной установленной форме в виде единого документа с указанием:

Расчет металлоконструкций для наглядности оформляется в виде таблицы, где указываются сводные данные по имеющимся параметрам и предельно допустимым, и виде специализированной модели, где наглядно видны параметры и габариты будущей конструкции. Документ составляется профильными специалистами, которые имеют практический опыт работы с металлоконструкциями в их производстве, эксплуатации и изучении допустимых норм нагрузок в аспекте сопротивления материалов.

Готовый расчет утверждается руководителем предприятия с фиксацией подписи и печати. Расчет в обязательном порядке содержит перечень используемых в работе нормативных актов, алгоритм расчетов, зафиксированные результаты, точную информацию об объекте на титульном листе, таблицы с сопоставленными данными имеющихся и предельно допустимых нагрузок по различным критериям, включая реактивные воздействия, силовые нагрузки, действия внешних факторов и другие.

Основные параметры для учета в расчетах

При эксплуатации металлоконструкций изделия подвергаются постоянному действию растяжения, сжатия, кручения, изгиба в отдельных или комбинированных проявлениях. Результат воздействий может быть различным. В зависимости от того, какие силы оказывают постоянное воздействие на объект и от того, из чего изготовлена конструкция, напрямую зависит безопасность ее использования и соответствие сроков полезного использования заявленным в технических документах.

В процессе производства расчетов учитываются:

Внешние нагрузки, температура, давление, другие факторы;
Вес самой конструкции;
Особенности и угол установки;
Непосредственное взаимодействие с другими элементами, которые постоянно соприкасаются с изделием;
Воздействия в процессе установки, монтажа, отладки, подготовки к началу эксплуатации;
Особые условия эксплуатации при их наличии в специализированных промышленных, производственных и других выделенных зонах.

Расчет составляется для различных изделий, лестниц, площадок, рам, опор, печей, трубопроводов и труб, других металлических изделий, используемых на производствах индивидуально в каждом конкретном случае.

Составляя последовательный расчет с учетом всех указанных критериев и параметров, при производстве металлоконструкций различного типа можно избежать возможного возникновения аварийных и чрезвычайных ситуаций и непредвиденного разрушения металлоконструкций в процессе активного использования. Изучение сопротивления материалов в разрезе отдельных элементов не дает полной картины возможного поведения готового металлического изделия в специфических условиях.

Проведение расчетов на прочность

Расчеты на прочность составляются для различных видов сложного оборудования, изделий и металлических конструкций, для аппаратов и сосудов, работающих под давлением. Такое оборудование используется сегодня в различных отраслях, включая строительство, разнонаправленное производство, химическую промышленность, нефтегазовую отрасль, сферу добычи и переработки материалов. Расчеты на прочность являются отдельным документом, оформленным в установленной форме, где содержится точная информация о размере и критериях предельно допустимых нагрузок по нескольким аспектам.

Порядок проведения расчетов на прочность

Выполнение расчетов производится специалистами соответствующего профиля. Процесс расчетов подлежит:

итоговой поэтапной детальной проверке;
утверждению вышестоящими руководителями с подписями и печатью;
подтверждению профильными экспертами;
занесению в единую специализированную базу данных.

Данные расчетов вносятся в единую систему с целью унификации нормативных документов для работы со сложным оборудованием, а также для полной автоматизации доступа ко всем документам, связанных с эксплуатацией конструкций и устройств, работа которых влечет неизбежные риски на этапах подготовки, запуска и непосредственного использования объектов на местах.

Цели проведения расчетов на прочность

Расчеты выполняются для отдельных элементов конструкции и для объекта в целом. По каждому этапу рассчитываются показатели воздействия и выводятся предельно допустимые нормы.

Это позволяет установить границы допустимых внешних и рабочих воздействий на объект для того, чтобы:

обеспечить безопасность сотрудников и персонала, осуществляющих непосредственную работу со сложными объектами;
минимизировать риски поломки и деформации оборудования на этапах доставки, транспортировки, перевозки к планируемой точке эксплуатации;
установить четкие правила обращения с объектом до начала использования для того, чтобы первоначальные свойства оборудования и объектов не нарушались на этапах транспортировки и установки;
своевременно и эффективно инструктировать персонал для ликвидации возможности возникновения чрезвычайных ситуаций при работе с объектом;
иметь в распоряжении установленные нормы для обеспечения результативного контроля функционирования конструкции или объекта и отслеживания возможных воздействий;
соблюдать законодательно установленные нормы, зафиксированные в ГОСТах и других нормативных документах, определяющих правила работы со сложными объектами и оборудованием.

Расчеты на прочность составляются на основании ГОСТ 34233.1—2017, ГОСТ 34233.2, ГОСТ 34233.3, ГОСТ 34233.4, ГОСТ 34233.5 и других отраслевых ГОСТов, утвержденных по стандартам ISO. Нормы и методы, законодательно установленные согласно этим документам, используются для производства расчетов в различных областях промышленности и производства. При этом учитываются свойства и рабочие характеристики всех элементов и материалов. По этой причине для каждого из объектов составляется сразу несколько расчетов, результаты которых учитываются и фиксируются, в некоторых случаях суммируются для составления объективной картины возможных последствий воздействия различных нагрузок на объект. Размеры сечений определенных деталей конструкции рассчитываются и производятся с учетом того, какие результаты получены при расчетах на прочность для конкретных материалов и готовых элементов.

В расчетах на прочность учитываются такие факторы, как естественные деформации материалов и металлов вследствие естественного износа, коррозии, усталости материалов. В специальных разделах расчета указываются первоначальные параметры в виде таблицы исходных данных, расчетные параметры воздействия, полученные результаты, выведенные нормы напряжения и нагрузок, индивидуальные для каждого сложного объекта. Предельно допустимая сила воздействия рассчитывается в разрезе отдельных параметров в разных величинах. Таблицы расчетов позволяют увидеть представленные данные наглядно, оценить их величину в сравнении, сделать выводы и быстро сориентироваться для начала подготовительных работ или эксплуатации объекта.

Читайте также: