Расчет и Проектирование Металлического Каркаса Промышленного Здания: Детализированное Руководство по СП 16.13330 и СП 20.13330

В современном промышленном строительстве каркас одноэтажного производственного здания является наиболее распространенной и критически важной конструктивной системой. Инженерное проектирование таких объектов требует не только глубоких знаний строительной механики, но и строгого соблюдения актуальных нормативных документов, в частности Сводов Правил (СП 16.13330 и СП 20.13330).

Данное руководство представляет собой детальный расчетно-конструктивный проект, разработанный для студентов технических вузов, сфокусированный на методической точности и полном соответствии требованиям нормативной базы. Итогом качественного проекта всегда является гарантия надежности и экономической эффективности принятых конструктивных решений.

Этап 1: Конструктивная Схема и Принципы Унификации

Каркас одноэтажного промышленного здания представляет собой сложную рамно-связевую систему, основная задача которой — обеспечение пространственной жесткости и устойчивости при восприятии вертикальных и горизонтальных нагрузок. Проект начинается с выбора оптимальной конструктивной схемы, что неразрывно связано с принципами унификации и модульной координации.

Конструктивная схема делится на две системы:

1. Поперечная система: Образована поперечными рамами (колонны и ригели — фермы или балки), воспринимающими вертикальные нагрузки от покрытия, а также горизонтальные нагрузки (снеговая, ветровая, крановое торможение).
2. Продольная система: Обеспечивает общую устойчивость каркаса вдоль здания и состоит из продольных балок, вертикальных и горизонтальных связей, а также подкрановых балок.

Успешное проектирование базируется на соблюдении стандартизации, что позволяет сократить номенклатуру типоразмеров и снизить трудоемкость изготовления. Это не просто вопрос удобства, а прямое требование для минимизации строительных рисков и повышения скорости монтажа.

Унификация объемно-планировочных решений

Унификация в строительстве основана на системе модульной координации размеров в строительстве (МКРС). Ключевым элементом здесь является основной модуль M, принятый равным 100 мм. На базе этого модуля назначаются основные размеры здания, такие как пролеты (кратные 6M, 12M, 18M) и высоты (кратные 6M, 12M).

Шаг колонн — расстояние между поперечными рамами — является критическим параметром, влияющим на расход стали и усилия в элементах. Согласно нормам, шаг колонн назначается кратным 6 м (обычно 6 м или 12 м). Выбор шага должен быть обоснован технико-экономическими показателями:

• Увеличение шага (до 12 м) экономит средства на фундаментах и колоннах, но требует усиления элементов покрытия (ферм, прогонов) и подкрановых балок.
• При шаге 6 м элементы покрытия облегчаются, но увеличивается количество рам и фундаментов.

Нормативная привязка колонн к осям

Привязка колонн к разбивочным осям — это строго регламентированный аспект, необходимый для унификации сборных элементов. Различают два основных типа привязки крайних колонн к продольной оси:

Тип привязки	Смещение наружной грани колонны от оси	Условия применения
Нулевая привязка (0 мм)	Наружная грань совпадает с осью (0 мм)	Здания без мостовых кранов, или при кранах грузоподъемностью до 20 т, при шаге колонн 6 м и высоте до 14,4 м, а также при наличии ручных мостовых кранов.
Смещенная привязка (250 мм)	Наружная грань смещена внутрь здания на 250 мм	Здания, оборудованные мостовыми кранами грузоподъемностью более 20 т (до 50 т) при шаге колонн 12 м.

Смещенная привязка (250 мм) позволяет унифицировать прогоны и стеновые панели, обеспечивая оптимальное опирание элементов покрытия. Если пренебречь этим требованием, возникнет необходимость в индивидуальном проектировании узлов, что существенно замедлит строительство.

Устройство температурных швов

В зданиях большой протяженности необходимо предусматривать температурные швы, которые разделяют каркас на отдельные, независимые температурные блоки. Это предотвращает возникновение чрезмерных температурных напряжений, которые могут привести к деформации или разрушению конструкций.

Температурные швы выполняются на спаренных колоннах (две рамы, расположенные близко друг к другу). Согласно нормативным рекомендациям (СП 27.13330, как аналог для сборных каркасов), максимальное расстояние между температурно-усадочными швами должно составлять:

• Для отапливаемых зданий: до 72 м.
• Для неотапливаемых зданий: до 60 м.

Превышение этих лимитов требует обязательного проведения отдельного расчета на температурные воздействия, поскольку неконтролируемые температурные деформации способны создать дополнительные, нерасчетные усилия в ригелях и колоннах.

Этап 2: Сбор Нагрузок и Формирование Расчетных Сочетаний (РСН)

Курсовой проект требует точного определения всех действующих нагрузок и их комбинаций в соответствии с СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Расчетное значение любой нагрузки (F) определяется как произведение нормативного значения (F_n) на коэффициент надежности по нагрузке ($\gamma$_f) и, при необходимости, на коэффициент сочетаний ($\psi$):

$$\text{F} = \text{F}_\text{n} \cdot \gamma_\text{f} \cdot \psi$$

Постоянные и основные кратковременные нагрузки

Расчетная схема должна учитывать все виды нагрузок:

1. Постоянные нагрузки (P_d):

• Собственный вес несущих конструкций (колонн, ферм, связей, подкрановых балок).
• Вес ограждающих конструкций (покрытия, стенового заполнения, кровли).
• $\gamma$_f для собственного веса конструкций обычно принимается 1.05–1.1.

2. Кратковременные нагрузки:

• Снеговая нагрузка (S): Определяется по нормативному значению для данного снегового района с учетом аэродинамического коэффициента $\mu$ (зависит от уклона кровли). Коэффициент надежности $\gamma$_f = 1.4.
• Ветровая нагрузка (W): Включает статическую (среднюю) и динамическую (пульсационную) составляющие. Определяется по нормативному значению ветрового района. Коэффициент надежности $\gamma$_f = 1.4.
• Крановые нагрузки (K): Включают вертикальное давление колес крана, горизонтальные силы от поперечного торможения (поперек здания) и горизонтальные силы от продольного торможения.

Дополнительные кратковременные нагрузки:
К ним относятся нагрузки, возникающие при изготовлении, транспортировке и монтаже конструкций, а также нагрузки от технологического оборудования с учетом динамических воздействий. Их учет особенно важен при расчете на монтажные сочетания.

Расчетные сочетания нагрузок и учет динамики

Конструкции рассчитываются по предельным состояниям первой (прочность, устойчивость) и второй (деформации, прогибы) групп. Для этого формируются наиболее неблагоприятные Расчетные Сочетания Нагрузок (РСН).

СП 20.13330 устанавливает:

1. Основные сочетания: Включают постоянные нагрузки, длительные нагрузки и одну или несколько кратковременных нагрузок (снеговая, ветровая, крановая).

• Если в сочетание входит только одна кратковременная нагрузка, она принимается с $\psi$ = 1.0.
• Если несколько кратковременных нагрузок действуют одновременно, только одна (наиболее неблагоприятная) принимается с $\psi$ = 1.0, а остальные — с коэффициентами сочетаний $\psi$ = 0.5 или $\psi$ = 0.7 (для снеговых и ветровых).

2. Особые сочетания: Включают постоянные, длительные, одну особую нагрузку (например, сейсмическое, взрывное воздействие) и одну или несколько кратковременных нагрузок.

Критически важный аспект: Коэффициент сочетаний $\psi$ для особых случаев

При формировании особых сочетаний нагрузок (например, с учетом сейсмики или аварийных ситуаций), коэффициент сочетаний $\psi$ для всех кратковременных нагрузок (кроме основной, принимаемой с $\psi$ = 1.0) принимается равным 0.8. Это позволяет избежать чрезмерно завышенных усилий, которые маловероятно возникнут одновременно с особым воздействием.

Вид нагрузки	Коэффициент надежности $\gamma$f (обычно)	Коэффициент сочетаний $\psi$ (основные)	Коэффициент сочетаний $\psi$ (особые)
Постоянные (Собственный вес)	1.05 – 1.1	1.0	1.0
Снеговая	1.4	1.0 (основная), 0.5/0.7 (доп.)	0.8
Ветровая	1.4	1.0 (основная), 0.5/0.7 (доп.)	0.8
Крановая (Вертикальная/Торможение)	1.1	1.0 (основная), 0.85 (длительная часть)	0.8

Горизонтальные силы от поперечного торможения кранов всегда рассматриваются в совокупности с вертикальным давлением кранов, так как они не могут действовать изолированно. Иначе говоря, как могут горизонтальные силы торможения возникнуть без наличия самого крана?

Этап 3: Статический Расчет Поперечной Рамы

Поперечная рама промышленного здания является ключевым несущим элементом и представляет собой статически неопределимую систему (за счет жесткого соединения колонн с фундаментами и, возможно, жесткого или полужесткого сопряжения ригеля с колонной).

Выбор расчетной схемы и программного комплекса

Статический расчет поперечной рамы направлен на определение внутренних усилий (M, N, Q) в характерных сечениях.

Принципы схематизации:

1. Колонна-Фундамент: Соединение чаще всего принимается жестким (защемление), что обеспечивает необходимую устойчивость рамы.
2. Ригель-Колонна: Для металлического каркаса чаще всего принимается шарнирное сопряжение (например, через опорный столик и болты), что упрощает расчет и конструирование, но увеличивает изгибающие моменты в колоннах.
3. Моделирование: Рама представляется геометрическими осями элементов, а нагрузки прикладываются в узлах или распределенно.

Ввиду высокой статически неопределимости, расчет выполняется с использованием современных программных комплексов (ПК), основанных на методе конечных элементов:

• ПК ЛИРА 10 (современная версия)
• Renga (с модулем для расчета конструкций)
• SCAD Office.

Результатом работы ПК являются эпюры усилий для каждого РСН.

Учет пространственной работы каркаса

Традиционный расчет поперечной рамы как плоской системы является консервативным (дает завышенные усилия). В реальности каркас работает как пространственная система, в которой горизонтальные нагрузки (например, от торможения кранов или ветра) перераспределяются между несколькими соседними рамами.

Ключевыми элементами, обеспечивающими пространственную работу, являются:

1. Диск покрытия: Жесткое горизонтальное диафрагменное соединение (например, профнастил с жестким креплением или плиты), которое распределяет горизонтальные усилия на продольные связи.
2. Продольные связи: Вертикальные и горизонтальные связи по покрытию и между колоннами.
3. Подкрановые балки и тормозные фермы: Воспринимают горизонтальное торможение крана и передают его на узлы вертикальных связей.

Эффект снижения моментов

Учет пространственной работы, который возможен при расчете в 3D-модели, позволяет добиться снижения изгибающих моментов в колоннах (в плоскости рамы) за счет того, что горизонтальные силы от кранового торможения передаются не только на ближайшую раму, но и на соседние. Это позволяет оптимизировать сечение колонн, что ведет к значительной экономии металла.

Построение огибающих эпюр

После получения эпюр усилий для всех РСН необходимо построить огибающие эпюры (M_max, M_min, N_max, N_min).

Огибающая эпюра — это графическое представление максимальных и минимальных значений усилий, которые могут возникнуть в данном сечении при действии всех возможных и неблагоприятных сочетаний нагрузок. Именно эти экстремальные значения используются для окончательного подбора сечений и проверки устойчивости элементов.

Этап 4: Конструктивный Расчет и Проверка Ступенчатых Колонн (СП 16.13330)

Ступенчатые колонны — наиболее распространенный тип колонн в каркасах с мостовыми кранами. Они состоят из двух частей: подкрановой (нижней, более массивной) и надкрановой (верхней, менее массивной). Расчет выполняется на прочность и устойчивость по СП 16.13330.

Определение расчетной длины и устойчивости

Расчетная длина (l_ef) — это важнейший параметр, определяющий гибкость элемента и его устойчивость. Для колонн постоянного сечения она определяется по формуле:

$$l_\text{ef} = \mu \cdot l$$

где $\mu$ — коэффициент расчетной длины, зависящий от условий закрепления; $l$ — геометрическая длина участка.

Для ступенчатых колонн коэффициент $\mu$ определяется нелинейно, с учетом жесткости и длины обоих участков, а также типа закрепления ригеля.

Методика по СП 16.13330.2017

Коэффициенты расчетной длины для участков ступенчатых колонн (в плоскости рамы) определяются согласно Приложению И СП 16.13330.2017. Расчет ведется по специальным номограммам или формулам, учитывающим соотношения:

• Соотношение моментов инерции: $I_1 / I_2$ (подкрановой к надкрановой).
• Соотношение длин участков: $l_1 / l_2$.
• Соотношение жесткости колонны к жесткости ригеля ($\Sigma \frac{I_\text{кол}}{l_\text{кол}} : \frac{I_\text{риг}}{l_\text{риг}}$).

Устойчивость колонны проверяется в двух плоскостях:

1. В плоскости рамы: Устойчивость участка определяется как для элемента в составе рамы.
2. Из плоскости рамы: Устойчивость определяется как для элемента с шарнирными или условно-шарнирными узлами (закрепление связями).

Проверка прочности и устойчивости при совместном действии усилий

Ступенчатая колонна работает как сжато-изгибаемый элемент. Проверка устойчивости (первое предельное состояние) является решающей.

Условие устойчивости в плоскости рамы (в общем виде для сжато-изгибаемых элементов):

$$\frac{\text{N}}{\varphi_x \text{A} \text{R}_y \gamma_c} + \frac{\text{M}_x}{\varphi_e \text{W}_{1x} \text{R}_y \gamma_c} \leq 1.0$$

где:

• N и M_x — расчетные продольная сила и изгибающий момент.
• R_y — расчетное сопротивление стали.
• $\varphi_x$ и $\varphi_e$ — коэффициенты продольного изгиба и устойчивости при изгибе.
• A — площадь сечения; W_1x — момент сопротивления сечения.
• $\gamma_c$ — коэффициент условий работы.

Аналогичная проверка выполняется для устойчивости из плоскости рамы.

Расчет узла сопряжения колонны с фундаментом

Наиболее ответственным конструктивным узлом является база колонны. В промышленных зданиях с мостовыми кранами чаще всего применяется жесткая заделка колонны в фундаменте, чтобы обеспечить минимальное смещение верха колонны и общую жесткость рамы.

Расчет жесткой базы колонны:

1. Определение размеров опорной плиты: Плита рассчитывается на передачу сжимающего усилия (N) и изгибающего момента (M) на бетон фундамента, обеспечивая распределение напряжений.
2. Проверка болтов: Анкерные болты рассчитываются на растягивающую силу, возникающую от момента (M).
3. Проверка плиты на изгиб: Плита рассматривается как консольная балка, нагруженная реактивными напряжениями от бетона. Требуемая толщина плиты определяется по условию прочности на изгиб.

Этап 5: Расчет Стропильной Фермы и Подкрановой Балки

Стропильная ферма и подкрановая балка — это ригели поперечной рамы, воспринимающие основную вертикальную нагрузку.

Проверка жесткости подкрановых балок (Прогибы)

Подкрановые балки подвергаются интенсивному динамическому воздействию, и их жесткость (ограничение прогибов) является часто более критичным параметром, чем прочность. Чрезмерный прогиб может привести к поломке колес кранов, быстрому износу рельсов и нарушению технологии. Соблюдение этих лимитов — залог долгосрочной эксплуатации кранового оборудования.

Нормативные предельные вертикальные прогибы (L/f) устанавливаются в соответствии с группой режима работы кранов по ГОСТ 25546, что является наиболее точным нормативным критерием (СП 20.13330):

Группа режима работы кранов	Условия (управление из кабины)	Предельный вертикальный прогиб L/f
1К–6К	Легкий и средний режим	L/400
7К	Тяжелый режим	L/500
8К	Весьма тяжелый режим	L/600
9К–10К	Сверхтяжелый режим	L/750

Расчетный прогиб балки от нормативной вертикальной нагрузки $F_n$ не должен превышать допускаемого значения.

Расчет на местное сжатие стенки подкрановой балки

Подкрановые балки воспринимают сосредоточенную локальную нагрузку от колес крана. Это может вызвать потерю местной устойчивости (смятие) стенки балки в зоне опирания колеса.

Расчет на местное смятие должен учитывать не только статическое давление, но и дополнительный динамический коэффициент.

Критический момент: Коэффициент динамичности $\gamma$_f1

Согласно СП 16.13330, при расчете на местное и динамическое действие сосредоточенной вертикальной нагрузки от одного колеса крана, нормативное значение нагрузки $F_n$ следует умножать на дополнительный коэффициент $\gamma$_f1, зависящий от режима работы:

• Для режима 6К: $\gamma$_f1 = 1.4
• Для режима 7К: $\gamma$_f1 = 1.6
• Для режима 8К (с жестким подвесом груза): $\gamma$_f1 = 1.8

Формула для местного напряжения в стенке:
Местное напряжение смятия ($\sigma$_loc) должно быть меньше расчетного сопротивления стали ($R_y$):

$$\sigma_\text{loc} = \frac{\text{F} \cdot \gamma_{f1}}{t_w \cdot l_\text{ef}} \leq \text{R}_y$$

Где:

• F — расчетное значение сосредоточенной нагрузки от колеса крана.
• $t_w$ — толщина стенки балки.
• $l_\text{ef}$ — условная длина распределения нагрузки, определяемая по нормам.

Если условие не выполняется, требуется увеличить толщину стенки или установить дополнительные ребра жесткости (опорные и промежуточные). Если бы мы пренебрегли этим расчетом, неизбежно возникли бы деформации стенки, угрожающие целостности кранового пути.

Расчет стропильной фермы

Стропильная ферма (ригель) рассчитывается как статически определимая система (шарнирное опирание на колонны). Основная цель — определить усилия в стержнях и подобрать сечения сжатых элементов на устойчивость.

1. Определение усилий: Усилия в стержнях (растяжение, сжатие) определяются от неблагоприятного сочетания постоянных и снеговых нагрузок.
2. Подбор сечения растянутых элементов: Сечение подбирается по условию прочности: $N / A \leq R_y \gamma_c$.
3. Подбор сечения сжатых элементов: Сечение подбирается по условию устойчивости (аналогично колоннам): $N / (\varphi A) \leq R_y \gamma_c$. Сжатые пояса и раскосы, как правило, выполняются из парных уголков или замкнутых профилей.
4. Расчет узловых соединений: Узловые соединения (особенно опорные) рассчитываются на действие максимальных усилий в стержнях с учетом эксцентриситетов и применения соответствующих болтовых или сварных соединений.

Заключение: Оформление Расчетно-Конструктивного Проекта

Курсовая работа должна быть оформлена в виде комплексного инженерного проекта, состоящего из расчетной и графической частей.

Требования к расчетной части:

1. Введение: Обоснование выбора конструктивной схемы, описание района строительства, характеристика сталей (например, С245, С345).
2. Сбор нагрузок: Детализированный расчет нормативных и расчетных нагрузок (снеговая, ветровая, крановая) с указанием коэффициентов $\gamma$_f.
3. Статический расчет: Описание расчетной схемы (включая учет пространственной работы), таблицы РСН и результаты расчета (огибающие эпюры усилий).
4. Расчет и конструирование элементов: Поэтапный расчет колонны (определение $\mu$, проверка устойчивости), фермы и подкрановой балки (включая проверку на прогибы и местное сжатие).

Технико-экономические показатели (ТЭП):
Для обоснования принятых решений необходимо привести ТЭП:

• Расход стали на 1 м³ объема здания (кг/м³).
• Расход стали на 1 м² площади здания (кг/м²).
• Объем работ и сравнение с аналогичными проектами.

Требования к графической части:
Графическая часть должна включать:

• План здания (с разбивочными осями и привязками).
• Фасады и разрезы (с указанием отметок).
• Чертеж поперечной рамы с детализацией узлов сопряжения (база колонны, узел опирания фермы на колонну).
• Схема расположения связей.

Выполнение проекта с соблюдением всех приведенных нормативных и методологических требований гарантирует получение академически точной и практически применимой курсовой работы. А в конечном счете, именно такая методическая строгость позволяет инженеру обеспечивать надежность промышленного объекта на десятилетия вперед.

Список использованной литературы

1. Беленя Е.И. Металлические конструкции: учеб. для вузов / Е.И. Беленя, В.А. Балдин, Г.С. Ведеников [и др.]. – 6-е изд. – Москва: Стройиздат, 1985. – 560 с.
2. Горев В.В. Металлические конструкции: учеб. для вузов. В 3 т. Т. 1. Элементы конструкций / В.В. Горев, Б.Ю. Уваров, В.В. Филиппов [и др.]. – 3-е изд., стер. – Москва: Высш. шк., 2004. – 528 с.
3. Мандриков А.П. Примеры расчета металлических конструкций / А.П. Мандриков, И.М. Лялин. – Москва: Стройиздат, 1982. – 320 с.
4. ГОСТ 24379.0-80. Болты фундаментные: Общие технические условия. – Введ. 1982-01-01. – Москва: Стандартинформ, 1980.
5. СП 16.13330.2017. Свод правил. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*. – Введ. 2017-12-01. – (С изменениями).
6. СП 20.13330.2016. Свод правил. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*. – Введ. 2017-02-18. – (С изменениями № 1–6).
7. Каркас одноэтажного производственного здания. Расчёт поперечной рамы – ТГТУ: Статический расчёт поперечной рамы / ТГТУ. – 2008.
8. Расчет стальной колонны [Электронный ресурс] // Buildingbook.ru. – URL: https://buildingbook.ru/raschet-stalnoy-kolonny/ (дата обращения: 22.10.2025).
9. Принципы компоновки каркаса одноэтажных промышленных зданий [Электронный ресурс] // Studfile.net. – URL: https://studfile.net/preview/7926227/page:14/ (дата обращения: 22.10.2025).
10. Руководство по проектированию стальных подкрановых конструкций.
11. Конструктивная схема одноэтажных каркасных производственных зданий [Электронный ресурс] // Alobuild.ru. – URL: https://alobuild.ru/konstruktsii/konstruktivnaya-shema-odnoetazhnyx-karkasnyx-proizvodstvennyx-zdanij.html (дата обращения: 22.10.2025).
12. Подкраново-подстропильные фермы. Особенности конструкции, работы и расчета [Электронный ресурс] // ННГАСУ. – URL: https://nngasu.ru/files/izdat/metod/05/mk/podkr_podstrop_fermy.pdf (дата обращения: 22.10.2025).
13. Стальной каркас одноэтажного производственного здания [Электронный ресурс] // МГСУ. – URL: https://mgsu.ru/science/publications/izdaniya-mgsu/metodicheskie-ukazaniya/1781/ (дата обращения: 22.10.2025).
14. Статический расчет поперечной рамы [Электронный ресурс] // Репозиторий Тольяттинского государственного университета. – URL: http://repo.tltsu.ru/bitstream/123456789/10891/1/tosk_stat_rasch_ramy.pdf (дата обращения: 22.10.2025).
15. Расчетная схема рамы, Статический расчет рамы – Металлические конструкции одноэтажного промышленного здания [Электронный ресурс] // Bstudy.net. – URL: https://bstudy.net/609028/tehnika/raschetnaya_shema_ramy_staticheskiy_raschet_ramy (дата обращения: 22.10.2025).
16. Унификация и типизация. Привязка к осям [Электронный ресурс] // Tehlib.com. – URL: https://tehlib.com/2019/09/24/unifikatsiya-i-tipizatsiya-privyazka-k-osyam/ (дата обращения: 22.10.2025).
17. Приложение И. Коэффициенты расчетной длины участков ступенчатых колонн [Электронный ресурс] // Garant.ru. – URL: https://base.garant.ru/71650392/ (дата обращения: 22.10.2025).