СОДЕРЖАНИЕ
- Суть расчета металлоконструкций
- Классификация нагрузок для проведения расчета металлоконструкций
- Основной метод расчета металлоконструкций
- Расчет экономичности металлоконструкций
- Расчет стоимости металлоконструкций
- Программы для расчета металлических конструкций
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.
Читайте также: «Полочные стеллажи»
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.
Длительные нагрузки:
- 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.
Читайте также: «Лестница на металлическом каркасе»
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.
Читайте также: «Ограждения пожарных лестниц»
Особые нагрузки:
- 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.
Читайте также: «Металлические ограждения для лестниц»
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 ≤ Ф
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.
Читайте также: «Металлические перила»
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 ≤ fu, где
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:
Δ = (F/F1 – 1) * 100 %
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.
Читайте также: «Коррозия металлоконструкций»
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.
Читайте также: «Для чего нужен гидравлический пресс »
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.
