Расчет нагрузок металлических конструкций

Обновлено: 16.05.2024

Проектирование и расчет металлической колонны ствола и узлов сопряжений. Надёжность конструирования её обеспечивается пониманием механики работы, соблюдение нормами и инженерным опытом.

Расчет металлической колонны

Мой опыт показывает, что колонны часто имеют необоснованное увеличенное сечение ствола (+10% и выше). Встречается не редко, что базы колонн проектируются по одной серии (которую нужно выкинуть), и в этом случае база тяжелее процентов на 30%, да и ствол колонны тяжелее если по этой серии.

Итак проектирование стальной колонны включает в себя:

Определение материала ствола — марка стали согласно нормам
Назначить оптимально-работающего сечения
Определение сочетания нагрузок на колонну, базу и оголовок — в проф. программах
Построение рабочей схемы, и проверка устойчивости ствола колонны — понимание её работы,
Выполнить конструирование базы колонны и анкерных болтов
Проверка узла опирания балочных элементов

Основные виды проектируемых конструкции стальных стоек и колонн

Круглое сечение:

Лучший вариант чисто для центрально сжатой стойки. Ввиду того что такой вариант нагрузки редкость применяется такой вид сечения ради архитектурной выразительности.

Квадратное сечение:

Применяется для центрально-нагруженных стоек, с небольшим изгибающими моментом в обоих направлениях

Прямоугольное сечение:

Двутавр балочный:

Его редко применяют, видимо потому, что название балочный. Хотя возможно его применения при малых нагрузках, просто потому, что сортамент двутавров «К» и «Ш» сразу начинается с «массивных»

Двутавр широкополочный:

Наверное самый распространённый вид колонн. Хорошо работает в широкопролётных, одноэтажных, относительно-невысоких сооружениях (цеха)

Двутавр колонный:

Обоснованно применять только если полки подшивать профилированный листом для раскрепления гибкости (бытовки)

Применяется при повышенной высоте стойки (условно более 8,0м), при этом испытывающая небольшие изгибающие моменты (от ветровых нагрузок, краны до 1-2,0 т).

Применяется при высокой высоте колонн (условно больше 10,0м)

+ Жесткость выше чем у колонны на планках

Применяется при в высоких одноэтажных зданиях (условно выше 12,0м) с небольшой нагрузкой от покрытия.

Пример расчёт см на моём сайте «Инженер-строитель»

Распространённые виды применяемых жёстких баз колонн

Здесь предложены только варианты для сечения двутавр и профильной трубы.

После определения сечения, расчет металлической колонны сводиться к конструированию её базы. Они в общем линейные, достаточно выполнить и проверить один раз и можно применять регулярно. Но даже имея готовый алгоритм необходимо определить усилия на анкерную пластину и болты.

Интересно отметить — толщина опорной пластины к примеру второго и третьего вида составляет 40мм и 25мм и при одних и тех нагрузках. Первый вариант будет еще толще соответственно.

Руководство проектной организации — обратилось за услугой. Цель как оказалось — выполнить прочностные проверки с расчетом

Опыт применения знаний строительной механики в проектировании создаёт за частую легкий металлокаркас сооружения при

Расчет металлоконструкций: зачем нужен и как производится

Расчет металлоконструкций – непростой процесс, требующий тщательного подхода. На будущее сооружение воздействуют разные силы даже без нагрузки, но для верного расчета нужно учесть не только их, но и те, что возникнут при эксплуатации.

Методов расчета много, но наиболее часто используется способ, основанный на оценке предельных состояний. В нашей статье мы расскажем об этой методике, разберем классификацию сил напряжения, а также поговорим о других видах расчетов.

Суть расчета металлоконструкций

Проектирование металлоконструкций представляет собой сложный процесс, начинающийся с выбора конструктивной формы и заканчивающийся разработкой чертежей.

В ходе расчетов необходимо обосновать габариты конструкции, размеры поперечных сечений и их соединения, принимая во внимание ряд требований: надежность и долговечность с сохранением эксплуатационных свойств, минимизация затрат материалов и труда. На практике бывает сложно совместить один критерий с другим (скажем, надежность с экономией расходов), поэтому в ходе проектирования еще осуществляется выбор оптимального конструктивного решения.

Этапы расчета металлоконструкций включают в себя выбор общей схемы, оценку нагрузок, определение усилий в конструктивных элементах, подбор сечений и проверку допустимости напряженно-деформированного состояния конструкции.

Ключевые понятия, используемые при этом: «предельное состояние», «расчетная нагрузка», «расчетное сопротивление», «надежность», «усталость», «конструктивное оптимальное решение» и т. п.

До середины прошлого века расчет металлоконструкций делался по допускаемому напряжению металла с учетом главного показателя – коэффициента запаса, однако после выхода в 1951 г. новых строительных норм и правил стал использоваться также метод предельных состояний, в котором применяются разные коэффициенты, основанные на статистическом изучении значений нагрузок, свойств металла и условий работы конструкции.

Достоинством традиционной методики является ее относительная простота, однако она не способна в полной мере учесть все факторы и условия, влияющие на работу конструкции. Методы вероятностного расчета строительных конструкций более трудоемки, но зато они дают надежный результат, и обращение к ним особенно оправдано при проектировании сложных и масштабных сооружений.

Классификация нагрузок для проведения расчета металлоконструкций

Существуют разные виды классификаций нагрузок и воздействий на конструкции, но самое простое деление – по продолжительности. По данному критерию они делятся на постоянные и временные, а последние, в свою очередь, могут быть длительными, кратковременными и особыми.

К постоянным нагрузкам и воздействиям, которые не меняются, относятся:

собственная масса конструкции;
вес и давление грунтов;
воздействие предварительного напряжения.

масса оборудования стационарного типа, а также рабочих материалов, используемых в нем;
давление газов, жидких и сыпучих тел в трубопроводах и емкостях;
нагрузка на перекрытия складских помещений, архивов, холодильных камер и т. п.;
температурные воздействия, идущие от стационарного оборудования;
вес слоя воды на водонаполняемых плоских покрытиях;
вес отложений производственной пыли, если она не удаляется;
воздействия, причина которых – изменение влажности, усадка и ползучесть материалов.

Основные кратковременные нагрузки и воздействия:

нагрузка от стационарного оборудования, возникающая при режимах его пуска и остановки, а также при перемещении;
вес людей, животных, временного оборудования и материалов;
температурно-климатические воздействия;
климатические нагрузки – от снега, дождя, ветра, гололеда и т. п.
нагрузки от подвижного подъемного и транспортного оборудования.

воздействия от сейсмических явлений и взрывов;
воздействия, причиной которых стали аварии, поломка оборудования или резкое нарушение технологических процессов;
воздействия просадок основания вследствие изменения структуры грунта (намокание, оттаивание, просадка горных выработок, карстовые явления);
нагрузки вследствие пожаров.

Основной метод расчета металлоконструкций

В наше время наиболее распространенным методом расчета металлических конструкций остается метод предельных состояний (ПС), который несложен в использовании, научно обоснован и потому сохраняет свое значение.

Предельным считается такое состояние конструкции, при котором она утрачивает ключевые характеристики и перестает удовлетворять предъявляемым к ней требованиям. Обычно выделяются две группы подобных состояний.

I группа предельных состояний

К этой категории относятся предельные состояния, делающие полностью невозможной дальнейшую эксплуатацию конструкции. В данную группу входят разрушения любого типа, потеря либо общей устойчивости металлоконструкции, либо местной устойчивости отдельного ее элемента, нарушения соединений и узлов, критически сказывающиеся на общей геометрии системы.

Расчет по предельным состояниям I группы делается в обязательном порядке для всех несущих элементов конструкций и их соединений. Расчет производится по учитываемым нагрузкам на прочность и на устойчивость, а для конструкций, испытывающих многократно-повторные нагрузки (например, мосты), еще и на выносливость. Неспособность выдерживать данные нагрузки приводит к утрате несущей способности металлоконструкции.

Итоговый результат выражается формулой, в которой сопоставляются максимально возможное усилие, являющееся суммой нагрузок и воздействий, и минимальная несущая способность всей конструкции или ее отдельного элемента, определяемая свойствами металла и параметрами сечения:

N в данном случае — это максимальное усилие; Ф — минимальная несущая способность.

Другими словами, минимальная несущая способность конструкции должна обеспечиваться даже при максимальном усилии.

II группа предельных состояний

Вторая группа охватывает предельные состояния, которые затрудняют нормальную эксплуатацию конструкции, то есть в соответствии с установленными технологическими условиями. Здесь имеются в виду прогибы, недопустимые углы поворотов, трещины, осадка опор, колебания и т. д.

В данном случае делается расчет на жесткость по деформациям изгибаемых элементов. При этом на основе нормативных нагрузок высчитывается нормируемая величина деформации, которая должна быть больше фактической или равняться ей:

f — фактическая деформация, которую измеряют или определяют по специальным формулам;

fu — нормируемая величина деформации, указанная в действующем своде правил СП 20.13330–2016 «Нагрузки и воздействия».

Расчет экономичности металлоконструкций

Однозначное мнение, что уменьшение габаритов и веса металлопроката сделают конструкцию более выгодной, ошибочно. При прочих равных условиях использование, скажем, более тонкого металлического листа или уголка будет означать, что сократится и выдерживаемая ими нагрузка. Поэтому при расчетах металлоконструкций нужно использовать все заранее известные параметры и характеристики, чтобы найти оптимальные величины.

Так, при расчете наиболее выгодной формы и площади металлоконструкции учитываются такие показатели, как обычный момент сопротивления W, рассчитываемый по геометрическим размерам; пластический момент сопротивления Wп, представляющий собой сумму статических моментов сопротивления нижней и верхней частей сечения; момент инерции I и радиус инерции i, предсказывающие движение элемента при вращении; сопротивление срезу и растяжению.

Если мы имеем дело с несложным примером, то можно отталкиваться от площади поперечного сечения и выдерживаемых тем или иным материалом нагрузок, сведения о которых легко найти в справочниках.

После того как вычисления показали, что конструкция удовлетворяет необходимым требованиям, прежде всего, по методу предельных состояний, то можно определить экономичность одного материала относительно другого по простейшей формуле, где результат выражается в процентах:

Здесь показатели F и F1 означают вес или стоимость различных металлопрокатных изделий, которые можно использовать в конкретном случае.

Расчет стоимости металлоконструкций

При расчете стоимости конструкции нужно учитывать, что, кроме самих металлических изделий, она будет складываться также из расходов на доставку металлопроката и сборку металлоконструкции. Что касается цен на металлопрокат, обычно самые доступные – изделия, получаемые горячепрокатным способом, сортовые и профильные продукты, листовой материал.

Дороже обойдется то, что производится методом холодного проката, поскольку такой способ обработки сложнее, но он обеспечивает лучшее качество поверхности металла и более точные размеры изделий: к примеру, гнутые профили, гофрированные метизы и т. п. В случае с трубами электросварные намного дешевле, чем бесшовные.

Электросварные трубы производят методом холодного проката из готовых металлических листов с последующей сваркой по месту соединения, в то время как бесшовные изготавливаются путем продавливания содержимого цилиндрических заготовок. Разумеется, бесшовные трубы обеспечивают большую прочность и надежность, поскольку именно шов является наиболее уязвимым местом в трубах.

Делая выбор между отечественным и импортным металлопрокатом, не стоит недооценивать изделия российского производства: действующие в отечественной промышленности технические нормы и требования нисколько не уступают зарубежным. Главное, что требуется для правильного проектирования металлических сооружений, это предварительные вычисления, а именно оценка нагрузок, расчет усилий, а также определение нормальных и касательных напряжений.

Программы для расчета металлических конструкций

Помочь при расчетах способны специальные программы, так что вам не придется все считать вручную – достаточно будет ввести исходные параметры. Некоторые программы даже не требуют установки, и вы сможете произвести расчет металлоконструкций онлайн.

Онлайн-калькулятор Metalcalc — как видно уже из названия, доступный в Сети ресурс, с помощью которого вы сможете быстро рассчитать вес, длину и другие параметры интересующего вас металлопроката. Все вычисления производятся с учетом действующих ГОСТов.
Sopromatguru – сервис еще более широкой направленности, предназначенный для онлайн-расчетов балок и других несущих элементов, построения эпюр – графиков, показывающих распределение величины нагрузки, и т. д. Здесь вы сможете подобрать сечение по критериям прочности. Есть различные тарифные планы, включая и бесплатный функционал.
Небольшая по объему десктопная программа «Ферма», благодаря которой можно вычислить по заданным параметрам статически определимую ферму.

Конечно, число доступных программ намного больше, и вы без труда найдете в Интернете как актуальную справочную информацию, так и программы, предназначенные для расчета различных параметров, включая окраску металлоконструкций.

За счет такой доступности ресурсов сейчас проектирование металлоконструкций требует меньше времени и усилий, чем раньше. Правда, программы не могут в полной мере заменить человека, и потому на стадии вычисления и составления проекта желательно, а порой и необходимо, участие профессионалов. Помните, что металлоконструкции – весьма ответственная часть любого сооружения, и их надежность должна полностью закладываться на стадии проектирования.

Расчет металлоконструкций

Конструктор КМ. Удалённое проектирование и расчет металлоконструкций стального каркаса, узлов и элементов для экспертизы согласно строительным нормативам! Изучил строительные нормы по расчётам стальных конструкций и оформил для себя автоматизированные алгоритмы в OpenOffice. Пока у профессиональных программах есть недоработки в области МК — я ими пользуюсь.

Проектирование и расчет стального каркаса (конструкций)

Оформленные КМ расчёты включает в себя в общем:

Изучение исходных данных, которые в основном включает в себя:
определение ветрового и снеговой района, геологические условия и условия эксплуатации. В редких случаях определение сейсмической зоны.
Задание расчётной модели работы всей системы конструкций:
— Выбрать расчётную схему: рамная, рамно-связевая, связевая;
— задать жесткие и шарнирные узлы;
— Определение эксцентриситетов (жестких вставок).
Сбор нагрузок на каркас:
— Вертикальные нагрузки — собственный вес;
— Горизонтальные нагрузки — ветер, торможение крана;
— Комбинации нагрузок от кранов;
— Динамические нагрузки;
— Сейсмические нагрузки.
Построение расчётной схемы в специализированной программе (назначение жестокостей, шарниров, жёстких вставок, связей, типов конечных элементов. ) и задание расчётных характеристик (марку стали, коэффициент условия работы, расчётные длины, предельные гибкости, коэффициент постели .
Предварительный расчёт с целью выполнения подбора сечений, их соответствующие их назначение.
Итоговый расчёт каркаса, который включает определение: коэффициентов запаса элементов и системы, проверку допустимых перемещений системы, а также усилия в узлах каркаса.
Расчёт узлов на комбинации усилий (база колонны, стык элементов ферм, узлы примыкания балок, болтовые соединения и сварка. ).
Анализ прочих элементов каркаса, которые не входят в расчётную модель программы, такие как прогоны, фахверковые стойки, ветровые ригеля, лестничные конструкции.
Проверка связей на устойчивость и прочность.
Оформление отчёта для заказчика или экспертизы.

Отдельного расчета стальных конструкций

Расчёт стальной конструкции стропильной фермы включает в себя: Уточнение расчётной схемы (работа связей). Определение узловых нагрузок, расчёт усилий в элементах, проверка прогиба. Далее расчёт узлов: примыкания решётки, проверка прочности фланцевого и опорного соединений.
Стальная подкрановая балка: Сбор нагрузок в зависимости от конструкции крана. Важный момент условия работы цеха, если работа в 3 смены — то необходимо учитывать усталостное разрушение. И самое интересное проверка устойчивости верхнего пояса сечения для 1 класса балок. Здесь такие балки необходимо как один из вариантов нужно раскреплять из плоскости.
Балки перекрытий — это простой вариант расчёта — здесь проблем почти нет — проверка прочности, прогиба и узла опирания.

Пример оформления расчета металлоконструкций

Приведен расчет стального каркаса раздела КМ, который прошёл экспертизу. Пространственное изображение объекта расположено в начале статьи. Такую процедуру проходят обязательно все спроектированные мной быстровозводимые здания из металлоконструкций, но оформляются по желанию. Так же отмечу я выполнил здесь ещё разработку КМ чертежей и сконструировал фундаменты.

Для справки: в отчётах приводятся только расчеты стальных конструкций и узлов, которые самые ответственные и напрямую влияющие на прочность, устойчивость и жёсткость

Нынешняя ситуация проектировании, те расчетов стальных конструкций

Наиболее распространённая ситуация — это когда проектируется по подобным серийным или архивным проектам, а так же интуитивно. Знакомлюсь с поступающей документацией КМ и делаю следующие выводы:

Конструкция	Лишняя масса	Пояснения
Массивные колонны	+15%	Интуиция конструктора Неверная расчётная длина при проверке Применение старой серии
Фахверковые стойки	+20%	Нужно учитывать что для них пониженные значения расчётной длины, и увеличенный коэффициент устойчивости
Фермы покрытия	+15% — 5%	Применение серийных ферм из уголков (+30% перерасход) Для простоты решётку применят одного сечения, у меня же два или три вида Также тяжёлые стыковые узлы встречается
Балки	—	Здесь всё хорошо! — расчет металлоконструкций самый простой
Связи по покрытию	±15%	Частое недопонимание, их много или наоборот хватанет!
Ветровые ригеля	+20%	Страх применения толщины стенки 3 мм
Прогоны покрытия (сендвич панелях)	— — 10%	Покрытие с профилированным листом всё хорошо — везде типовое. А вот с сендвич панелями недопонимание — могут протекать швы
Профнастил	+10% — 5%	Для нестандартного шага прогона нет готовых данных в нормативе. Расчет как балки неполноценен
П-образны балочные рамы	-10%	На фото в интернете визуально видно слабые сечения. При подборе сечений принимают коэффициент расчётной длины = 1, а должен более двух
Ангарны с тентом	—	Сложно сказать. Если строго то их нужно сносить строители смелые ребята. А по факту тент не задерживает снег и они стоят. Слышал что они падали.
ЛСТК каркас	-10%	Здесь пока порядка нет, проектирую монтажники с потолка — подгоняют выгодную массу металлопроката
Сварные швы	+40%	Увлечение почти не заметно, хотя компактный узел всегда смотрится приятней
Болтовые соединения	+20%	Для болтов особо мест не хватает
Узлы соединений	+35% — 10%	Считается что узел незаметный (принцип много не мало), но если посчитать может дать перерасход от 5% относительно общей массы

Здесь приведены конечно же примерные показатели, но некоторых случаях они значительно отличаются. Результат отсутствия именно расчётчиков-конструкторов КМ приводит что основная масса проектов 80% игнорируют полностью или частично расчеты металлоконструкций

Читайте также: