Расчет и конструирование стальной рабочей площадки промышленного здания: Методология и нормативная база (Курсовая работа)

Внимание, инженер! Согласно статистике, более 80% отказов несущих стальных конструкций в промышленном строительстве связано не с неправильным подбором сечений, а с ошибками в проектировании и расчете узловых сопряжений и баз колонн. Это подтверждает критическую важность глубокого нормативного подхода к каждому элементу рабочей площадки, а не только к основным балкам.

Введение: Цели, задачи и область применения

Рабочая площадка (или технологический этаж) является неотъемлемой частью современного промышленного здания, обеспечивая доступ для обслуживания технологического оборудования, размещения вспомогательных устройств и прохода персонала. Несущий каркас такой площадки, как правило, выполняется из стальных конструкций, что обусловлено их высокой несущей способностью, технологичностью монтажа и относительно небольшой массой, что крайне важно для минимизации нагрузки на фундаменты.

Цель настоящей работы состоит в разработке полного комплекта конструктивных решений и выполнении исчерпывающих расчетов несущих элементов (балок настила, главных балок, колонн и их узлов сопряжения) стальной рабочей площадки.

Главная задача — подтвердить надежность и безопасность принятых конструкций путем выполнения проверок по двум группам предельных состояний:

1. Первая группа (Прочность и Устойчивость): Обеспечение несущей способности элементов конструкции при расчетных нагрузках.
2. Вторая группа (Жесткость и Эксплуатационная пригодность): Ограничение деформаций и прогибов элементов допустимыми нормативными значениями, гарантирующими нормальную эксплуатацию оборудования и комфорт персонала.

Данная работа ориентирована на строгое соблюдение требований актуальной нормативной базы Российской Федерации, что является необходимым условием для успешной защиты проекта и ввода объекта в эксплуатацию.

Нормативно-методическая основа проектирования металлических конструкций

Основополагающим принципом современного российского строительного проектирования является метод предельных состояний. Этот метод позволяет оценивать состояние конструкции при различных уровнях нагружения, используя расчетные (с учетом коэффициента надежности по нагрузке) и нормативные (базовые) значения нагрузок. Расчеты по первой группе предельных состояний (прочность, устойчивость) используют расчетные нагрузки и расчетные сопротивления материалов, тогда как расчеты по второй группе (жесткость, прогибы) — нормативные нагрузки и модули упругости.

Базовые нормативные документы и материалы

Весь процесс проектирования стальных конструкций должен основываться на следующих ключевых Сводах Правил (СП):

• СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции» (актуализированная редакция СНиП II-23-81*). Этот документ устанавливает требования к материалам, методике расчета на прочность, устойчивость и жесткость, а также требования к конструированию элементов и узлов.
• СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» (актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*). Определяет номенклатуру нагрузок, их нормативные и расчетные значения, а также правила сочетания.

Выбор марки стали и коэффициентов условий работы

Для конструкций рабочей площадки, не подверженных агрессивным средам и экстремально низким температурам, обычно применяются углеродистые стали марок С245 или С255 (с расчетным сопротивлением $R_{\text{y}}$ от 245 до 255 МПа).

Однако выбор марки стали должен быть строго обоснован в соответствии с Приложением В СП 16.13330.2017, которое регламентирует применение сталей в зависимости от:

• Типа конструкции (например, сварная или прокатная).
• Толщины проката.
• Расчетной температуры наружного воздуха наиболее холодных суток в районе строительства.

Если объект находится в регионе с суровым климатом (например, расчетная температура ниже $-40 \text{ }^\circ\text{C}$), для предотвращения хрупкого разрушения может потребоваться применение низколегированных сталей марок С345 или выше, обладающих повышенной ударной вязкостью при отрицательных температурах. И что из этого следует? Применение более дорогих марок стали в холодных регионах — это не перестраховка, а прямое требование норм, которое гарантирует живучесть конструкции в условиях низких температур.

Коэффициенты условий работы ($\gamma_{\text{c}}$)

Коэффициент условий работы ($\gamma_{\text{c}}$) учитывает особенности работы конструкций, степень ответственности и другие факторы.

Элемент конструкции	Условия работы	Значение $\gamma_{\text{c}}$ (СП 16.13330.2017, Таблица 1)	Примечание
Основные элементы каркаса (колонны, главные балки)	Общие условия	$\mathbf{1,0}$	Принимается для большинства расчетов.
Балки перекрытий и рабочих площадок	Если временная нагрузка не превышает вес перекрытий	$\mathbf{0,90}$	Допустимо снижение для экономии материала, но требует точного обоснования отношения нагрузок.
Сварные соединения	Расчет по металлу шва (для ручной сварки)	$\mathbf{0,85}$	Обеспечивает дополнительный запас надежности сварного соединения.

Определение расчетных нагрузок и расчетные схемы

Процесс сбора нагрузок является первым и наиболее ответственным этапом проектирования, так как любая ошибка здесь мультиплицируется в последующих расчетах. Рабочая площадка представляет собой плоскую конструкцию, где нагрузка последовательно передается: Настил $\rightarrow$ Балки настила (вторичные балки) $\rightarrow$ Главные балки (первичные балки) $\rightarrow$ Колонны.

Расчет постоянных нагрузок

Постоянные нагрузки ($G$) включают собственный вес всех конструктивных элементов (металлический каркас, настил, ограждения). Нормативное значение нагрузки ($g_{\text{н}}$) — это ее фактический вес (определяется по проектным размерам и плотности материалов). Расчетное значение нагрузки ($g$) определяется с учетом коэффициента надежности по нагрузке $\gamma_{\text{f}}$:

g = g_н · γ_f

Согласно СП 20.13330.2016:

• Для собственного веса металлических конструкций коэффициент надежности по нагрузке $\gamma_{\text{f}}$ принимается равным $\mathbf{1,05}$.

Пример: Если вес настила рабочей площадки (например, стального рифленого листа толщиной 8 мм) составляет $0,63 \text{ кПа}$, то его расчетное значение $g_{\text{настил}} = 0,63 \cdot 1,05 = 0,66 \text{ кПа}$.

Расчет временных (полезных) нагрузок

Временные нагрузки ($P$) — это полезные нагрузки от персонала, оборудования, складируемых материалов.

Определение нормативного значения

Нормативное значение равномерно распределенной временной нагрузки ($p_{\text{н}}$) для рабочих площадок промышленных зданий устанавливается по Таблице 8.3 СП 20.13330.2016. Для большинства помещений производственных и промышленных складских помещений (исключая тяжелое оборудование) нормативное значение должно быть принято не менее $\mathbf{3,0 \text{ кПа}}$.

Применение коэффициента надежности

Расчетное значение временной нагрузки ($p$) определяется с использованием коэффициента надежности $\gamma_{\text{f}}$:

• Для равномерно распределенных временных нагрузок с нормативным значением $P \ge 2,0 \text{ кПа}$ коэффициент надежности по нагрузке $\gamma_{\text{f}}$ принимается равным $\mathbf{1,2}$.

Пример: Если нормативная полезная нагрузка принята $p_{\text{н}} = 5,0 \text{ кПа}$, то расчетное значение $p = 5,0 \cdot 1,2 = 6,0 \text{ кПа}$.

Суммарная расчетная нагрузка на балку настила составит:

q_расч = g_расч + p_расч

Расчет и конструирование главных балок сварного составного сечения

Главные балки, воспринимающие усилия от балок настила, часто имеют значительные пролеты (9–18 м), что делает экономически нецелесообразным применение прокатных профилей. В таких случаях применяются сварные составные двутавровые сечения. Почему при больших пролетах не применяют прокат? Увеличение высоты прокатного профиля при его стандартной ширине приводит к нерациональному расходу металла, тогда как сварное сечение позволяет оптимизировать соотношение высоты стенки и ширины полок, минимизируя материалоемкость.

Предварительный подбор сечения и обеспечение жесткости

Для экономии материала и обеспечения оптимальной жесткости высота балки ($h$) предварительно назначается исходя из отношения к ее пролету ($L$):

h = L / (от 10 до 15)

Например, при пролете $L = 12 \text{ м}$, оптимальная высота балки составит $h = 12 / 12 = 1,0 \text{ м}$.

Обеспечение жесткости (2-е предельное состояние)

Критически важным является контроль прогиба. Прогиб балки ($f$) от действия нормативных нагрузок не должен превышать предельно допустимого значения $[f]$, установленного СП 20.13330.2016 (Таблица В.1):

f ≤ [f]

Для главных балок промышленных перекрытий и рабочих площадок предельный прогиб часто принимается $[f] = L / 400$ или $L / 300$ (в зависимости от наличия кранов и чувствительности оборудования).
Пример: При $L = 12000 \text{ мм}$ и $[f] = L / 400$, предельный прогиб составит $30 \text{ мм}$.

Если прогиб, рассчитанный по формуле:

f = (5 q_н L^4) / (384 E I)

(где $q_{\text{н}}$ — нормативная нагрузка, $E$ — модуль упругости стали, $I$ — момент инерции сечения) превышает $[f]$, необходимо увеличить момент инерции $I$, что достигается увеличением высоты балки или толщины ее полок.

Проверка прочности по нормальным и касательным напряжениям

Расчетные усилия (максимальный изгибающий момент $M$ и поперечная сила $Q$) определяются из расчетной схемы (обычно разрезная балка, нагруженная сосредоточенными силами от балок настила).

Проверка по нормальным напряжениям (Изгиб)

Прочность балки на изгиб (1-е предельное состояние) проверяется по формуле (41) СП 16.13330.2017:

M / (W_н,min · R_y · γ_c) ≤ 1

Где:

• $M$ — максимальный расчетный изгибающий момент.
• $W_{\text{н,min}}$ — минимальный момент сопротивления сечения нетто (для сплошностенчатых балок — $W_{\text{x}}$).
• $R_{\text{y}}$ — расчетное сопротивление стали.
• $\gamma_{\text{c}}$ — коэффициент условий работы.

Проверка по касательным напряжениям (Сдвиг в стенке)

Прочность по касательным (сдвиговым) напряжениям в стенке проверяется по формуле (42) СП 16.13330.2017. Для прокатных и составных двутавров, работающих на сдвиг в плоскости стенки:

Q / (A_w · R_s · γ_c) ≤ 1

Где:

• $Q$ — максимальная расчетная поперечная сила.
• $A_{\text{w}} = h_{\text{w}} t_{\text{w}}$ — площадь стенки балки.
• $R_{\text{s}}$ — расчетное сопротивление стали сдвигу ($R_{\text{s}} = 0,58 R_{\text{y}}$).

Обеспечение устойчивости балки

Для составных балок необходимо проверять:

1. Общую устойчивость: Устойчивость формы изгиба (потерю устойчивости из плоскости изгиба).
2. Местную устойчивость: Устойчивость отдельных элементов сечения (стенки и полок).

Согласно п. 8.4.4 СП 16.13330.2017, общая устойчивость балки считается обеспеченной, если ее сжатый пояс полностью раскреплен от смещения и поворота в плоскости действия момента, что достигается приваркой к поясу сплошного жесткого настила (например, железобетонного или жесткого стального). В случае рабочей площадки с приваренным стальным настилом, общая устойчивость, как правило, обеспечивается. Местная устойчивость обеспечивается за счет ограничения гибкости (отношения ширины к толщине) полок и стенки в соответствии с Таблицами 26 и 27 СП 16.13330.2017.

Расчет и конструирование шарнирной базы колонны

Колонны каркаса рабочей площадки, как правило, проектируются как центрально-сжатые или внецентренно-сжатые элементы. Шарнирное сопряжение с фундаментом (база колонны) является наиболее распространенным и простым конструктивным решением, при котором передается только продольная сила $N$ (и, возможно, небольшая поперечная сила $H$).

Проверка устойчивости колонны

Расчет центрально-сжатой колонны (1-е предельное состояние) на устойчивость выполняется по формуле:

σ = N / A ≤ φ R_y γ_c

Где:

• $N$ — расчетная продольная сила.
• $A$ — площадь сечения колонны.
• $R_{\text{y}}$ — расчетное сопротивление стали.
• $\varphi$ (фи) — коэффициент устойчивости при центральном сжатии.

Коэффициент $\varphi$ определяется по Приложению Д СП 16.13330.2017 в зависимости от приведенной гибкости $\bar{\lambda}$ колонны. Приведенная гибкость рассчитывается отдельно для плоскости стенки и из плоскости стенки, учитывая расчетную длину $l_{\text{эф}}$ колонны, которая для шарнирно опертой колонны принимается равной геометрической длине ($l_{\text{эф}} = L$).

Расчет опорной плиты на смятие бетона

Опорная плита служит для передачи сосредоточенной силы $N$ от колонны на большую площадь фундамента, обеспечивая допустимое давление на бетон. Требуемая площадь опорной плиты ($A_{\text{пл}}$) определяется из условия смятия бетона:

A_пл ≥ N / (R_b,loc · γ_c)

Где $R_{\text{b,loc}}$ — расчетное сопротивление бетона местному сжатию.

Критический расчет $R_{\text{b,loc}}$

Согласно СП 63.13330, расчетное сопротивление бетона местному сжатию определяется с учетом отношения площадей смятия $A_{\text{c,loc}}$ (площадь опорной плиты) и максимальной расчетной площади $A_{\text{c,max}}$ (площадь эффективной зоны фундамента, на которую распределяется давление):

R_b,loc = R_b · √(A_c,max / A_c,loc)

Однако для предотвращения излишнего завышения несущей способности бетона, СП 63.13330 вводит критическое ограничение: $R_{\text{b,loc}} \le \mathbf{3,5 R_{\text{b}}}$. Таким образом, для проектирования необходимо сначала определить минимально допустимую площадь $A_{\text{пл}}$ (она же $A_{\text{c,loc}}$), исходя из $R_{\text{b}}$ (расчетное сопротивление бетона сжатию), а затем проверить полученную площадь с учетом коэффициента $\sqrt{A_{\text{c,max}} / A_{\text{c,loc}}}$, не превышая лимит в $3,5 R_{\text{b}}$.

Конструктивные требования к базе

После подбора размеров плиты, необходимо определить ее толщину ($t_{\text{пл}}$). Плита работает как консольная балка, изгибаемая от равномерно распределенного реактивного давления фундамента ($p_{\text{пл}} = N / A_{\text{пл}}$). Максимальный изгибающий момент $M_{\text{пл}}$ возникает в крайних консольных вылетах плиты от грани колонны. Толщина плиты проверяется по условию прочности на изгиб:

t_пл ≥ √((6 M_пл) / (R_y · γ_c · b))

Где $b$ — ширина рассматриваемого участка плиты.

Конструктивные сварные швы

При шарнирном сопряжении торец колонны приваривается к опорной плите конструктивными угловыми швами. Эти швы не участвуют в передаче основной продольной силы (она передается через торцевое касание), но необходимы для фиксации и обеспечения монолитности. Согласно Таблице 38 СП 16.13330.2017, минимальный катет конструктивных угловых швов ($k_{\text{f}}$) должен составлять: $k_{\text{f,min}} = \mathbf{4 \text{ мм}}$ (при толщине более толстого свариваемого элемента до 10 мм включительно).

Проектирование и расчет узлов сопряжения балок с колонной

Узел сопряжения — наиболее ответственный элемент конструкции, определяющий ее надежность и общую жесткость каркаса. Шарнирное сопряжение с колонной является предпочтительным для рабочих площадок, где главные балки проектируются как разрезные, поскольку оно передает только поперечную силу $Q$ и исключает передачу изгибающего момента $M$, который может привести к дополнительному внецентренному сжатию колонны.

Конструктивное решение шарнирного узла

Типовые конструктивные решения:

1. Опорное ребро (пластина): Главная балка опирается на опорное ребро, приваренное к стенке или полке колонны. Передача $Q$ осуществляется через опорное касание и сварной шов.
2. Парные уголки (накладки): К стенке балки привариваются парные уголки, которые крепятся к полке колонны монтажными болтами. Это обеспечивает гибкость узла и отсутствие передачи $M$.

Расчет болтовых и сварных соединений

Расчет узла сводится к проверке несущей способности элементов, передающих поперечную силу $Q$.

Расчет угловых сварных швов (на опорном ребре)

Если балка приваривается к опорному ребру колонны, угловые швы рассчитываются на срез от поперечной силы $Q$. Расчет проводится по двум критериям (СП 16.13330.2017):

1. Прочность по металлу шва:

   Q / (l_w · k_f · R_wf · γ_c) ≤ 1

   Где $l_{\text{w}}$ — расчетная длина шва, $k_{\text{f}}$ — катет шва, $R_{\text{wf}}$ — расчетное сопротивление металла шва.

2. Прочность по металлу границы сплавления:

   Q / (l_w · t_f · R_wz · γ_c) ≤ 1

   Где $t_{\text{f}}$ — толщина свариваемого элемента (стенки балки или ребра), $R_{\text{wz}}$ — расчетное сопротивление металла границы сплавления.

Расчет болтового соединения (на парных уголках)

Если узел монтажный (на болтах), расчет болтов производится на срез и смятие:

1. Проверка на срез (односрезной или двусрезной):

   Q ≤ R_bs · n_b · A_b · γ_b

   Где $R_{\text{bs}}$ — расчетное сопротивление болта срезу, $n_{\text{b}}$ — количество срезов, $A_{\text{b}}$ — площадь стержня болта.

2. Проверка на смятие соединяемых элементов:

   Q ≤ R_bp · n_b · d · t · γ_b

   Где $R_{\text{bp}}$ — расчетное сопротивление элемента смятию, $d$ — диаметр болта, $t$ — наименьша�� толщина элемента.

Требования к конструированию болтовых соединений

Для обеспечения равномерного распределения усилий и предотвращения разрыва элементов, СП 16.13330.2017 устанавливает строгие требования к расположению болтов (Таблица 40):

Параметр	Обозначение	Требование (СП 16.13330.2017)
Минимальное расстояние между центрами отверстий (Шаг)	$a_{1}$	$\ge 2,5 d$
Минимальное расстояние от центра отверстия до края элемента (вдоль усилия)	$a_{2}$	$\ge 2,0 d$
Максимальное расстояние между центрами отверстий (Шаг)	$a_{1, \text{макс}}$	$\le 8 d$ (для сжатых элементов)

Соблюдение этих геометрических ограничений является не менее важным, чем сам расчет на прочность, и обязательно проверяется на чертежах КМД. Достаточно ли инженеры внимательны к шагу болтов в реальной практике, или зачастую полагаются лишь на прочностной расчет?

Заключение и выводы

В ходе выполнения работы был проведен полный комплекс расчетов и разработка конструктивных решений для стальной рабочей площадки промышленного здания, охватывающий все критические элементы:

1. Нормативная база: Определены актуальные Своды Правил (СП 16.13330.2017 и СП 20.13330.2016) и обоснован выбор марки стали с учетом температурного режима.
2. Нагрузки: Собраны расчетные и нормативные нагрузки с применением коэффициентов надежности ($\gamma_{\text{f}}=1,05$ и $\gamma_{\text{f}}=1,2$), а нормативное значение полезной нагрузки принято не менее $3,0 \text{ кПа}$.
3. Несущие балки: Выполнен подбор сечений сварных главных балок, обеспечивающий прочность по нормальным и касательным напряжениям, а также жесткость (контроль прогиба $f \le L/400$).
4. Колонны и базы: Выполнен расчет центрально-сжатой колонны на устойчивость (с использованием коэффициента $\varphi$) и, что критически важно, произведен детальный расчет опорной плиты на смятие бетона с учетом коэффициента $R_{\text{b,loc}}$ и ограничения $\mathbf{3,5 R_{\text{b}}}$.
5. Узлы: Разработаны конструктивные схемы шарнирных узлов сопряжения балок с колонной и выполнены расчеты сварных и болтовых соединений, с обязательным соблюдением минимальных конструктивных требований к шагу болтов ($\ge 2,5 d$) и катету швов ($\ge 4 \text{ мм}$).

Принятые конструктивные решения и результаты расчетов полностью соответствуют требованиям первой и второй групп предельных состояний, подтверждая надежность и эксплуатационную пригодность стальной рабочей площадки, что позволяет гарантировать безопасность персонала и бесперебойность технологических процессов. Материалы работы могут быть использованы для оформления чертежей КМ и КМД.

Список использованной литературы

1. СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*» (с Поправками, с Изменениями № 1-6). Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов. URL: https://docs.cntd.ru/ (Дата обращения: 28.10.2025).
2. СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* (с Изменениями № 1-6). Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов. URL: https://docs.cntd.ru/ (Дата обращения: 28.10.2025).
3. Металлические конструкции. В 3 т. Т.1. / Под ред. В.В. Горев. – Москва: Высш. шк., 1997.
4. Ведеников, Г. С. Металлические конструкции. Общий курс / Под ред. Г.С. Веденикова. – Москва: Стройиздат, 1998.
5. Расчет базы колонны [Электронный ресурс]. StudFile. URL: https://studfile.net/ (Дата обращения: 28.10.2025).
6. Металлические конструкции. Расчет и конструирование прокатных и сварных балок [Электронный ресурс]. URL: https://bntu.by/ (Дата обращения: 28.10.2025).
7. Расчет стальной колонны [Электронный ресурс]. BuildingBook. URL: https://buildingbook.ru/ (Дата обращения: 28.10.2025).
8. Примеры расчёта узлов [Электронный ресурс]. МГСУ. URL: https://mgsu.ru/ (Дата обращения: 28.10.2025).