Проектирование металлических конструкций – пошаговый разбор курсовой работы от А до Я

Металлические конструкции являются основой современного промышленного и гражданского строительства. Их популярность обусловлена уникальными технико-экономическими качествами: они позволяют создавать легкие сборные элементы зданий, что значительно ускоряет ввод объектов в эксплуатацию. Однако проектирование таких конструкций — это сложный процесс, требующий глубокого понимания работы стали под нагрузкой и неукоснительного следования нормативным документам, таким как СНиП.

Перед инженером стоит задача создать не просто прочную, но и экономически эффективную конструкцию. Этого можно достичь только через правильный выбор конструктивных форм и грамотное применение расчетных методик. Данная статья представляет собой эталонный пример выполнения курсовой работы по проектированию стального каркаса, который проведет вас через все этапы — от анализа задания до финальных расчетов узлов. Наша цель — дать студентам и начинающим специалистам четкую методику, которая поможет освоить материал и избежать распространенных ошибок.

Этап 1. Как на основе задания создается компоновочная схема каркаса

Любой расчет начинается с анализа исходных данных. В нашем примере мы проектируем балочную клетку рабочей площадки производственного здания. Задание на проектирование выглядит следующим образом:

• Пролет главной балки: LБ-1 = 12 м
• Пролет вспомогательной балки: LБ-2 = 6 м
• Пролет балки настила: LБ-3 = 2,4 м
• Шаг балок настила: Lн = 1 м
• Нормативная полезная нагрузка: Pn = 25 кПа
• Высота колонны: H = 7 м
• Тип колонны: сквозная, на планках
• Класс бетона фундамента: B15

Основываясь на этих данных, необходимо выбрать тип балочной клетки. Существует три основных типа:

1. Упрощенный: балки одного направления передают нагрузку сразу на несущие опоры (колонны или стены). Подходит для небольших пролетов.
2. Нормальный: состоит из балок настила, которые опираются на главные балки, идущие поперек. Это классическая схема.
3. Усложненный: включает три вида балок — настила, вспомогательные и главные. Такая схема оптимальна для перекрытия больших пролетов при минимальном количестве внутренних колонн, как в нашем случае.

Для нашего проекта с пролетом главной балки 12 метров мы обоснованно выбираем усложненный тип. Компоновочная схема будет выглядеть так: стальной настил укладывается на балки настила; балки настила опираются на вспомогательные балки; вспомогательные балки, в свою очередь, передают нагрузку на главные балки, которые опираются на колонны. Все расчеты будут вестись по методу предельных состояний в соответствии с нормативной базой СНиП II–23–81* «Стальные конструкции».

Этап 2. Проводим расчет и проектирование рабочего настила

Рабочий настил — самый верхний элемент, который непосредственно воспринимает полезную нагрузку и собственный вес. Наша задача — подобрать его толщину и проверить на прочность и прогиб. Расчет начинается со сбора нагрузок на 1 м² перекрытия.

Сбор нагрузок включает:

• Собственный вес настила: принимается предварительно, в зависимости от типа (например, для стального рифленого листа).
• Нормативная полезная нагрузка: по заданию составляет Pn = 25 кПа.

Далее мы определяем полную нормативную и расчетную нагрузки. Расчетная нагрузка вычисляется путем умножения нормативной на коэффициент надежности по нагрузке (для полезной нагрузки он часто принимается равным 1,3). Настил рассматривается как балка, работающая на местный изгиб. Подобрав тип и толщину листа (например, стальной рифленый лист), мы выполняем его проверку по двум предельным состояниям: на прочность (чтобы он не разрушился) и на жесткость (чтобы его прогиб не превышал допустимых значений).

Этап 3. Выполняем расчет и подбор сечения для балки настила

Балки настила поддерживают настил и передают нагрузку на вспомогательные балки. В нашей схеме они представляют собой однопролетные шарнирно-опертые балки с пролетом LБ-3 = 2,4 м и шагом Lн = 1 м. Расчет ведется по следующему алгоритму:

1. Сбор нагрузок: Нагрузка на балку собирается с грузовой площади, равной произведению ее пролета на шаг.
2. Определение усилий: Находятся максимальный изгибающий момент (M) и максимальная поперечная сила (Q) от расчетной нагрузки.
3. Подбор сечения: По требуемому моменту сопротивления (Wтр = M / Ry), где Ry — расчетное сопротивление стали (например, ВСт3), из сортамента прокатных профилей подбирается подходящий двутавр.
4. Проверка сечения: Это ключевой этап, который включает в себя несколько проверок:
   • прочность по нормальным напряжениям (σ ≤ Ry);
   • прочность по касательным напряжениям (τ ≤ Rs);
   • обеспечение общей устойчивости балки как изгибаемого элемента;
   • проверка жесткости — фактический прогиб не должен превышать предельно допустимого значения (f/l ≤ [f/l]).

Только после успешного прохождения всех проверок подобранное сечение балки настила можно считать окончательным.

Этап 4. Рассчитываем и подбираем сечение для вспомогательной балки

Вспомогательная балка — следующий элемент в иерархии передачи нагрузок. Ее особенность в том, что нагрузка от балок настила прикладывается не равномерно, а в виде сосредоточенных сил в точках их опирания. Пролет вспомогательной балки в нашем проекте — LБ-2 = 6 м.

Расчетная схема представляет собой балку на двух опорах, нагруженную несколькими сосредоточенными силами. Процесс подбора и проверки сечения аналогичен расчету балки настила: строятся эпюры изгибающих моментов и поперечных сил, по максимальному моменту подбирается сечение прокатного двутавра, а затем выполняется полный комплекс проверок на прочность, общую устойчивость и жесткость. Успешный результат этих проверок подтверждает, что балка способна нести свою нагрузку без разрушения и чрезмерных деформаций.

Этап 5. Реализуем полный цикл расчета и проектирования составной главной балки

Главная балка — самый мощный и ответственный изгибаемый элемент нашей балочной клетки. Из-за большого пролета (LБ-1 = 12 м) и значительных нагрузок от вспомогательных балок сечения прокатного двутавра часто оказывается недостаточно. Поэтому главные балки целесообразно проектировать составными, сваривая их из трех стальных листов: вертикальной стенки и двух горизонтальных поясов.

Проектирование составной балки позволяет гибко управлять ее сечением, делая его максимально эффективным и экономным.

Процесс расчета включает:

1. Определение высоты балки и толщины стенки: Высота обычно принимается в долях от пролета, а толщина стенки подбирается из условия прочности и устойчивости.
2. Подбор сечения поясов: Определяется требуемая площадь поясов, которая будет воспринимать основную часть изгибающего момента.
3. Компоновка и проверка сечения: После компоновки сечения из трех листов проводится его полная проверка. Помимо уже знакомых проверок на прочность, общую устойчивость и жесткость, для составных балок добавляются проверки местной устойчивости сжатого пояса и стенки балки.
4. Оптимизация сечения: Для экономии материала сечение главной балки можно изменять по длине, уменьшая толщину или ширину поясов в зонах с меньшим изгибающим моментом.
5. Конструирование опорных ребер: В местах передачи больших сосредоточенных нагрузок (на опорах и под вспомогательными балками) стенка балки укрепляется ребрами жесткости.

Этап 6. Проектируем и рассчитываем центрально-сжатую сквозную колонну

Вся нагрузка от перекрытия (через главные балки) передается на фундамент через колонны. В нашем задании указана сквозная колонна высотой H = 7 м, состоящая из двух ветвей (например, швеллеров), соединенных планками. Такая конструкция эффективна для высоких и гибких стоек.

Алгоритм расчета следующий:

1. Сбор нагрузок: Определяется полная продольная сила, действующая на колонну, включая опорную реакцию от главной балки и собственный вес конструкций.
2. Определение расчетной длины: Расчетная длина зависит от способа закрепления концов колонны и может быть разной в плоскости рамы и из плоскости рамы.
3. Подбор сечения: Сначала задаются требуемой гибкостью колонны (отношением расчетной длины к радиусу инерции), чтобы обеспечить ее устойчивость. По требуемому радиусу инерции подбирается расстояние между ветвями, а затем и сечение самих ветвей (например, два швеллера).
4. Проверка устойчивости: Подобранное сечение проверяется на общую устойчивость как единый стержень.
5. Расчет соединительных планок: Рассчитываются и конструируются планки, которые соединяют ветви колонны и обеспечивают их совместную работу.

Этап 7. Конструируем и рассчитываем узел опирания главной балки на колонну

Узлы — это самые ответственные места в каркасе, где происходит передача усилий от одного элемента к другому. В нашем проекте принято решение об опирании главной балки на колонну сверху. Это простое и надежное конструктивное решение.

Расчет узла включает:

• Расчет опорного ребра главной балки: Проверяется прочность стенки балки и ее опорного ребра на смятие под действием опорной реакции.
• Расчет сварных швов: Рассчитываются катеты и длина сварных швов, которыми опорное ребро приваривается к стенке и поясам балки.
• Расчет крепления балки к оголовку колонны: Рассчитываются сварные швы, которыми главная балка прикрепляется к опорной плите на оголовке колонны.

По результатам расчетов выполняется детальный чертеж узла со всеми размерами, катетами швов и спецификацией элементов.

Этап 8. Выполняем расчет и конструирование базы центрально-сжатой колонны

Последний силовой элемент в нашей цепи — база колонны. Ее назначение — безопасно передать огромную сосредоточенную нагрузку от стальной колонны на большую площадь бетонного фундамента.

Процесс проектирования базы следующий:

1. Определение площади опорной плиты: Требуемая площадь плиты (Апл) находится делением нагрузки от колонны (N) на расчетное сопротивление бетона фундамента на смятие (R_b). Для нашего фундамента из бетона класса B15 это сопротивление является нормативной величиной.
2. Назначение размеров плиты: Исходя из требуемой площади, назначаются размеры плиты в плане (длина и ширина).
3. Расчет толщины плиты: Опорная плита работает на изгиб от реактивного давления бетона. Ее толщина подбирается из условия прочности.
4. Конструирование траверс и ребер: Для равномерного распределения давления от ветвей колонны на плиту и для ее усиления проектируются мощные ребра — траверсы.
5. Расчет анкерных болтов: Для центрально-сжатых колонн анкерные болты обычно ставятся конструктивно для фиксации колонны в проектном положении.

Завершается этап детальным чертежом базы колонны.

Заключение, в котором мы подводим итоги и готовим графическую часть

Мы последовательно прошли все этапы проектирования стального каркаса рабочей площадки: от компоновки схемы до расчета последнего узла. В результате были подобраны сечения всех несущих элементов и выполнена их проверка на прочность, устойчивость и жесткость. Это гарантирует, что спроектированный каркас является надежным и экономически оправданным.

Основные результаты расчетов целесообразно свести в единую таблицу.

Сводная ведомость стальных профилей

Конструктивный элемент	Подобранное сечение
Рабочий настил	Стальной рифленый лист (толщина по расчету)
Балка настила	Двутавр по ГОСТ (номер по расчету)
Вспомогательная балка	Двутавр по ГОСТ (номер по расчету)
Главная балка	Сварной двутавр из листов (размеры по расчету)
Колонна	Сквозная из двух швеллеров (номер по расчету)

Завершающим этапом курсовой работы является оформление графической части. Она должна включать:

• Компоновочную схему каркаса с маркировкой элементов.
• Рабочие чертежи отправочных марок балок и колонн (чертежи КМ).
• Деталировочные чертежи расчетных узлов (опирание балок, база колонны).

Все чертежи должны быть выполнены в соответствии с требованиями стандартов и отражать технологичность изготовления и монтажа конструкций.

Список использованной литературы

1. Мандриков А. П. Примеры расчета металлических конструкций: Учебное пособие для техникумов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1991. – 431 с.
2. Кудишин Ю. И., Беленя Е. И., Игнатьева В. С. и др. Металлические конструкции: Учебник для студ. высш. учеб. заведений/Под общ. редакцией Ю. И. Кудишина – 8-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 688 с.
3. Горев В. В., Уваров Б. Ю., Филиппов В. В. и др. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы стальных конструкций: Учебное пособие для строит. вузов/Под ред. В. В. Горева. – М.: Высш. шк., 1997. – 527 с.
4. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции/Госстрой России. – М.: ГУП ЦПП, 2000. – 96 с.
5. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия/Госстрой России. – М.: ГУПЦПП, 2003. – 36 с.
6. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона без предварительного напряжения арматуры (к СНиП 52-101-2003). ЦНИИПромзданий, НИИЖБ. – М.: ОАО «ЦНИИПромзданий, 2005. – 214 с.