Курсовой проект по металлическим конструкциям: Детализированный расчет поперечной рамы и элементов каркаса по СП 20.13330 и СП 16.13330

В мире современного строительства, где амбиции архитекторов сталкиваются с суровой реальностью физических законов и экономической целесообразности, каждый проект начинается с фундаментального вопроса: выдержит ли здание? Ответом на этот вопрос является тщательный и всесторонний инженерный расчет, который представляет собой не просто набор цифр, а сложную симфонию между материалами, формами и воздействиями. Сквозь призму действующих нормативов, таких как СП 20.13330 «Нагрузки и воздействия» и СП 16.13330 «Стальные конструкции», мы погрузимся в методику проектирования несущих металлических конструкций, чтобы обеспечить их надежность и долговечность.

Проектирование несущих металлических конструкций промышленного или гражданского здания — это многоэтапный процесс, требующий глубоких знаний в области строительной механики, сопромата и действующих нормативных документов. Целью данного курсового проекта является разработка исчерпывающей расчетно-пояснительной записки, которая шаг за шагом проведет студента через все стадии проектирования: от сбора и анализа нагрузок до расчета отдельных элементов и узлов каркаса. Актуальность темы обусловлена постоянным развитием строительных норм и технологий, что требует от будущих инженеров способности применять современные методики и критически мыслить при принятии конструктивных решений. В центре нашего внимания будет поперечная рама — ключевой элемент, обеспечивающий устойчивость и жесткость здания, а также ее составляющие: колонны, подкрановые балки и стропильные фермы.

1. Общие положения и исходные данные для проектирования

Перед началом любого проектирования необходимо четко определить контекст и основные параметры будущего сооружения. В данном курсовом проекте мы рассматриваем металлическое здание, конструктивная схема которого представлена поперечными рамами, соединенными продольными элементами и связями, формирующими жесткий пространственный каркас. Исходные данные включают геометрические размеры здания (шаг колонн, пролеты, высота), климатический район строительства (для определения снеговых и ветровых нагрузок), тип кранового оборудования (грузоподъемность, режим работы), а также характеристики используемых материалов (сталь определенной марки, бетон для фундаментов). Именно на основе этих данных будет построено все последующее моделирование и расчет, что позволяет обеспечить максимальную точность и соответствие реальным условиям эксплуатации.

Основополагающим принципом современного проектирования является расчет конструкций по предельным состояниям. СП 20.13330.2016 (п. 6.1) четко разделяет их на две группы:

• Первая группа предельных состояний (I ПС): связана с потерей несущей способности конструкции или ее элементов. Сюда относятся расчеты на прочность, общую и местную устойчивость формы, а также на выносливость (усталостную прочность). Цель — предотвратить разрушение или недопустимые деформации, которые могут привести к обрушению, что является критически важным для безопасности здания и жизни людей.
• Вторая группа предельных состояний (II ПС): относится к эксплуатационной пригодности конструкции. Это расчеты на жесткость (ограничение прогибов и перемещений), на образование трещин и их раскрытие, а также на колебания, которые могут нарушить нормальную эксплуатацию или комфорт людей. Несоблюдение этих условий не приводит к обрушению, но существенно ухудшает функциональность и долговечность здания.

Нагрузки, действующие на здание, в соответствии с СП 20.13330.2016 (раздел 5), классифицируются на:

• Постоянные нагрузки (P_дл): действуют на протяжении всего срока службы здания. К ним относится собственный вес несущих и ограждающих конструкций, вес и давление грунтов, а также вес технологического оборудования, которое постоянно находится на своих местах.
• Длительные нагрузки: аналогичны постоянным, но могут изменяться со временем (например, вес стационарного оборудования, вес складируемых материалов в пределах нормативных значений).
• Кратковременные нагрузки: действуют ограниченное время. К ним относятся снеговые, ветровые, крановые нагрузки, нагрузки от людей, ремонтного оборудования.
• Особые нагрузки: возникают в исключительных случаях (например, сейсмические воздействия, взрывы, аварии).

Для обеспечения надежности, расчетное значение нагрузки (F_расч) всегда определяется как произведение нормативного значения (F_норм) на коэффициент надежности по нагрузке (γ_f). Это позволяет учесть возможные отклонения фактических нагрузок от нормативных в неблагоприятную сторону, обеспечивая дополнительный запас прочности.

2. Детализированный нормативный расчет нагрузок (СП 20.13330)

Определение нагрузок — это первый и один из самых ответственных этапов проектирования. Ошибки здесь могут привести к серьезным последствиям, от перерасхода материалов до аварий. Мы будем строго следовать методике, изложенной в СП 20.13330.2016, различая нормативные и расчетные значения с учетом соответствующих коэффициентов надежности (γ_f).

2.1. Расчет постоянных нагрузок

Постоянные нагрузки — это фундамент всего расчета. Они включают в себя вес всех элементов, которые постоянно присутствуют в конструкции. К ним относятся:

• Вес несущих конструкций: металлический каркас (колонны, фермы, балки), фундаменты, связи.
• Вес ограждающих конструкций: стеновые панели, кровельные покрытия, перекрытия, утепление, полы.
• Вес стационарного технологического оборудования: если оно установлено на постоянной основе.

Нормативное значение веса определяется на основе проектных размеров элементов и удельного веса материалов. Например, для стальных конструкций удельный вес стали принимается 7850 кг/м³. Для железобетонных элементов — 2500 кг/м³, для утеплителей — согласно их характеристикам. Расчетное значение постоянной нагрузки определяется путем умножения нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке (γ_f), который для собственного веса конструкций обычно принимается от 1,05 до 1,2 в зависимости от материала и способа изготовления (СП 20.13330.2016, п. 7.1).

Например, если нормативный вес кровельного покрытия составляет 0,8 кН/м², а коэффициент надежности γ_f = 1,2, то расчетное значение будет 0,8 кН/м² ⋅ 1,2 = 0,96 кН/м². Это означает, что для проектирования мы используем несколько увеличенное значение нагрузки, чтобы гарантировать безопасность конструкции даже при небольших отклонениях в весе материалов.

2.2. Расчет снеговой нагрузки

Снеговая нагрузка является одной из ключевых переменных климатических нагрузок. Ее расчет требует учета географического положения объекта и конфигурации кровли.

Нормативное значение веса снегового покрова (S_г) определяется по карте 1 Приложения Е СП 20.13330.2016, которая делит территорию Российской Федерации на восемь снеговых районов (I–VIII). Значения S_г варьируются от 0,5 кН/м² для I района до 4,0 кН/м² для VIII района (Таблица 10.1 СП). Это означает, что для проектирования здания в, скажем, Краснодарском крае (I снеговой район) будет принято гораздо меньшее S_г, чем для объекта в Якутии (VIII снеговой район).

Нормативное значение снеговой нагрузки (S) на горизонтальную проекцию покрытия рассчитывается по формуле:

S = Sг ⋅ μ ⋅ Cе ⋅ Cт

где:

• S_г — нормативный вес снегового покрова для соответствующего снегового района (кН/м²) (Таблица 10.1 или Приложение К СП 20.13330.2016).
• μ — коэффициент формы кровли, учитывающий особенности скатов, ендов, выступов и других элементов, влияющих на накопление снега. Этот коэффициент может принимать значения от 0 (для отвесных поверхностей) до 2,0 и более (для снеговых мешков в ендовах). Определяется по разделу 10 и Приложению Б СП 20.13330.2016.
• C_е — коэффициент сноса снега, учитывающий возможность сдувания снега ветром с открытых, обтекаемых покрытий. Для большинства зданий с ветрозащитными парапетами C_е = 1,0. Для зданий, расположенных в открытой местности, этот коэффициент может быть меньше 1,0. Определяется по п. 10.5 СП 20.13330.2016.
• C_т — термический коэффициент, учитывающий тепловой режим здания и возможное таяние снега от внутреннего тепла. Для холодных чердаков или зданий с недостаточно эффективной теплоизоляцией C_т = 1,0. Для отапливаемых зданий с горячим покрытием C_т может быть менее 1,0 (п. 10.6 СП 20.13330.2016).

Расчетное значение снеговой нагрузки, используемое для расчетов по I группе предельных состояний, определяется умножением нормативного значения S на коэффициент надежности по нагрузке γ_f = 1,4 (СП 20.13330.2016, п. 10.12).

2.3. Расчет ветровой нагрузки

Ветровая нагрузка, подобно снеговой, зависит от географического расположения и аэродинамических характеристик здания.

Нормативное значение ветрового давления (W₀) определяется по карте 2 Приложения Е СП 20.13330.2016, которая делит территорию РФ на семь ветровых районов (I–VII). Значения W₀ варьируются от 0,23 кПа (I район) до 0,85 кПа (VII район).

Нормативное значение основной ветровой нагрузки (W) на внешнюю поверхность сооружения определяется по формуле:

W = W0 ⋅ k(zе) ⋅ ζ ⋅ C

где:

• W₀ — нормативное значение ветрового давления для соответствующего ветрового района (кПа).
• k(z_е) — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте и тип местности (А, В, С — открытая, городская, застроенная). Определяется по таблице 11.2 СП 20.13330.2016. Чем выше точка на здании и чем более открытая местность, тем больше значение k(z_е).
• ζ — коэффициент пульсации давления ветра, учитывающий динамический характер ветрового воздействия. Определяется по п. 11.1.7 СП 20.13330.2016 и зависит от частоты собственных колебаний здания.
• C — аэродинамический коэффициент, отражающий форму здания и направление ветра. Этот коэффициент может быть как положительным (давление), так и отрицательным (отсос). Для различных поверхностей здания (наветренная стена, подветренная стена, кровля) значения C различны и определяются по таблице 11.4 и Приложению В СП 20.13330.2016.

Расчетное значение ветровой нагрузки, применяемое для расчетов по I группе предельных состояний, получается умножением нормативного значения W на коэффициент надежности по нагрузке γ_f = 1,4 (СП 20.13330.2016, раздел 11).

2.4. Расчет вертикальных и горизонтальных крановых нагрузок

Крановые нагрузки являются специфичными для промышленных зданий и относятся к кратковременным нагрузкам (СП 20.13330.2016, п. 5.5). Их расчет требует особого внимания из-за динамического характера и зависимости от режима работы кранов.

Нормативные значения вертикальных нагрузок от колес кранов (P_норм) принимаются по требованиям государственных стандартов на краны или, что чаще, по паспортам заводов-изготовителей кранов (СП 20.13330.2016, п. 9.2). В паспорте указывается максимальная нагрузка на одно колесо при различных положениях тележки.

Расчетное значение вертикальной крановой нагрузки для расчета прочности и устойчивости элементов несущего каркаса определяется с коэффициентом надежности по нагрузке γ_f. Здесь важно учесть следующий нюанс:

• Для группы режимов работы кранов 6К (тяжелый режим) коэффициент надежности по нагрузке (γ_f) для расчета прочности и устойчивости элементов несущего каркаса принимается равным 1,4.
• Для остальных групп режимов работы кранов (включая 8К, который является особо тяжелым) — γ_f = 1,2 (СП 20.13330.2016, п. 9.8).

Это демонстрирует важность точного определения режима работы крана, который указывается в техническом задании. Ошибка в этом определении может привести к либо излишнему перерасходу металла, либо, что гораздо хуже, к недостаточной несущей способности конструкции под действием реальных эксплуатационных нагрузок.

При расчете на местное и динамическое действие вертикальной нагрузки на балки крановых путей нормативное значение умножается на дополнительный коэффициент динамичности (ψ_д) (СП 20.13330.2016, п. 9.9). Этот коэффициент учитывает удары и вибрации, возникающие при движении крана и подъеме груза.

• Для групп режимов работы кранов 8К с жестким подвесом груза (например, с помощью траверсы) дополнительный коэффициент динамичности ψ_д = 1,8.
• С гибким подвесом (например, на канатах) ψ_д = 1,7.

Для остальных групп режимов работы кранов ψ_д может быть ниже (например, 1,1 для 1К-3К).

Горизонтальные крановые нагрузки возникают при торможении моста крана (вдоль кранового пути) и торможении тележки (поперек кранового пути).

• Горизонтальная нагрузка, направленная вдоль кранового пути (торможение моста): Нормативное значение принимается равным 0,1 от полного нормативного значения вертикальной нагрузки на тормозные колеса рассматриваемой стороны крана (СП 20.13330.2016, п. 9.3).
• Горизонтальная нагрузка, направленная поперек кранового пути (торможение тележки): Нормативное значение принимается 0,1 (для кранов с жестким подвесом груза) или 0,05 (для кранов с гибким подвесом груза) от суммы подъемной силы крана и веса тележки (СП 20.13330.2016, п. 9.4).

Расчетные значения горизонтальных крановых нагрузок также определяются с учетом коэффициента надежности по нагрузке γ_f = 1,2.

3. Статический анализ поперечной рамы и расчетная схема

Поперечная рама — это не просто набор стоек и ригелей, это сложная статически неопределимая система, поведение которой определяет общую устойчивость и жесткость здания. Выбор ее расчетной схемы — это краеугольный камень, от которого зависит весь последующий анализ.

Поперечная рама здания обычно состоит из колонн и ригеля (стропильной фермы или балки). Сопряжение ригеля с колонной может быть шарнирным или жестким, а закрепление колонны в фундаменте также может быть шарнирным или жестким. Выбор схемы определяется множеством факторов, среди которых:

• Режим работы кранов: Для зданий с тяжелыми кранами (например, групп 7К-8К) часто требуется жесткое сопряжение фермы с колонной и жесткое закрепление колонны в фундаменте для обеспечения достаточной горизонтальной жесткости каркаса и минимизации прогибов.
• Высота здания и пролет: Чем больше пролет и высота, тем важнее обеспечить жесткость.
• Экономические соображения: Жесткие узлы сложнее в изготовлении и монтаже, но могут привести к уменьшению сечений элементов.

Например, для одноэтажных промышленных зданий с легкими и средними кранами (до 5К) часто применяют шарнирное сопряжение фермы с колонной и шарнирное закрепление колонны в фундаменте, чтобы упростить расчет и конструирование узлов. Однако в этом случае вся горизонтальная нагрузка воспринимается связями. Для тяжелых кранов же, как правило, стремятся к максимальной жесткости рамы.

3.1. Выбор теоретического метода статического расчета

Поскольку поперечная рама является статически неопределимой системой, для ее расчета в курсовом проектировании наиболее распространенными и приемлемыми являются Метод Сил или Метод Перемещений.

• Метод Сил: Основан на введении избыточных связей для получения статически определимой основной системы. Неизвестными в этом методе являются реакции избыточных связей (силы или моменты). Этот метод часто более нагляден для понимания взаимодействия элементов.
• Метод Перемещений: Основан на введении избыточных связей, препятствующих перемещениям и поворотам в узлах, превращая систему в кинематически неизменяемую. Неизвестными являются перемещения и повороты в узлах.

В курсовом проектировании, особенно при расчете рам одноэтажных промышленных зданий, где изгибная жесткость ригеля (стропильной фермы) значительно превосходит изгибную жесткость колонн, удобно использовать Метод Перемещений, принимая жесткость ригеля EI ≈ ∞ (бесконечность). Это существенно упрощает расчет, так как угловые перемещения в узлах сопряжения ригеля с колоннами становятся практически равными нулю, и ригель можно рассматривать как абсолютно жесткий.

3.2. Учет пространственной работы каркаса

При расчете каркасов зданий, особенно при воздействии нагрузок, действующих только на часть рам (например, крановые нагрузки, которые могут перемещаться вдоль здания), крайне важно учитывать пространственную работу каркаса. Это означает, что соседние рамы, не находящиеся под прямым воздействием нагрузки, вовлекаются в работу через продольные связи (ригели, прогоны, связи по покрытию и стенам), перераспределяя усилия.

Для учета этого эффекта в расчетах применяется Коэффициент пространственной работы (C_пр). Он определяется как отношение горизонтального смещения (Δ_пр) наиболее нагруженной рамы в составе пространственного блока (то есть с учетом работы соседних рам) к смещению (Δ) этой же рамы, рассматриваемой отдельно (C_пр = Δ_пр / Δ). Чем жестче продольные связи (например, жесткий диск покрытия из монолитных плит или эффективная система продольных связей), тем меньше будет значение C_пр, что, в свою очередь, снижает внутренние усилия в наиболее нагруженной раме, поскольку часть нагрузки передается на соседние рамы. Этот коэффициент позволяет более экономично и реалистично подобрать сечения элементов.

3.3. Определение расчетных длин элементов

Расчетная длина (l_эф) — это фундаментальный параметр для определения устойчивости сжатых и сжато-изгибаемых элементов (колонн, стоек, раскосов ферм). Она зависит от условий закрепления концов элемента и его расчетной схемы. Неправильное определение l_эф может привести к существенным ошибкам в расчете устойчивости.

Для стальных конструкций методика определения расчетных длин подробно изложена в разделе 10 СП 16.13330.2017.

• Для отдельных стержней, таких как раскосы и стойки ферм, расчетная длина обычно принимается равной геометрической длине, если их концы шарнирно закреплены в узлах.
• Для колонн рамной системы определение расчетной длины значительно сложнее, так как она зависит от жесткости ригелей, условий закрепления в фундаменте и наличия связей.

КЛЮЧЕВОЙ МОМЕНТ: В многопролетных рамах (при числе пролетов ≥ 2) при наличии жесткого диска покрытия (или продольных связей), связывающего поверху все колонны и обеспечивающего пространственную работу сооружения, расчетные длины колонн l_эф определяют как для стоек, несвободно закрепленных на уровне ригелей (СП 16.13330.2017, п. 10.3.8). Это означает, что верхний конец колонны считается упруго защемленным, а не шарнирным, что существенно влияет на значение расчетной длины и, соответственно, на устойчивость колонны.

Для конкретных схем закрепления и рамных систем значения коэффициентов расчетной длины (μ) можно найти в таблицах и графиках СП 16.13330.2017 или в специализированных пособиях по металлическим конструкциям. Расчетная длина l_эф = μ ⋅ l, где l — геометрическая длина элемента.

4. Проектирование несущих элементов по предельным состояниям (СП 16.13330)

После определения усилий в элементах каркаса необходимо перейти к подбору и проверке их сечений. Этот этап базируется на расчете по предельным состояниям, как того требует СП 16.13330.2017 (п. 4.2), и учитывает расчетные комбинации усилий.

Расчетные комбинации усилий формируются с учетом различных сочетаний нагрузок (постоянных, длительных, кратковременных) и коэффициентов сочетаний (ψ). СП 20.13330.2016 (п. 6.3) различает:

• Основные сочетания нагрузок: включают постоянные, длительные и одну или несколько кратковременных нагрузок.
• Особые сочетания нагрузок: включают постоянные, длительные, одну или несколько кратковременных и одну особую нагрузку (например, сейсмическую).

Формула для определения воздействия (усилия) в основных сочетаниях выглядит так:

F = ΣFпост + ΣψiFдл,i + ψ1Fкр,1 + ΣψiFкр,i

где:

• F_пост — усилие от постоянной нагрузки.
• F_дл,i — усилие от i-й длительной нагрузки.
• F_кр,1 — усилие от основной по степени влияния кратковременной нагрузки.
• F_кр,i — усилие от i-й вторичной кратковременной нагрузки.
• ψ — коэффициенты сочетаний.

Коэффициенты сочетаний для кратковременных нагрузок (ψ_i) принимаются равными 1,0 для основной по степени влияния кратковременной нагрузки (F_кр,1). Для остальных (вторичных) кратковременных нагрузок (ψ_i) в основных сочетаниях принимаются пониженные значения (СП 20.13330.2016, п. 6.4):

• Вертикальные нагрузки от мостовых и подвесных кранов: ψ = 0,85 (СП 20.13330.2016, п. 9.18).
• Снеговая нагрузка (если не является основной кратковременной): ψ = 0,5 (СП 20.13330.2016, п. 10.11).

Это позволяет более реалистично оценить вероятность одновременного действия нескольких неблагоприятных кратковременных нагрузок с их максимальными значениями. В противном случае, без учета этих коэффициентов, расчетные усилия могли бы быть завышены, что привело бы к неоправданному увеличению размеров сечений и перерасходу материалов.

4.1. Расчет и конструирование колонны

Колонны являются одними из наиболее ответственных элементов каркаса, воспринимая вертикальные и горизонтальные нагрузки. Их расчет включает проверку на прочность и общую устойчивость.

Расчет на прочность растянутых или сжатых элементов сплошного сечения (предельное состояние 1-й группы) выполняется по условию (СП 16.13330.2017, п. 7.1.1, формула 5):

N / (A ⋅ Rу ⋅ γс) ≤ 1,0

где:

• N — продольное усилие в элементе (расчетное).
• A — площадь поперечного сечения элемента.
• R_у — расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию и изгибу (таблица В.1 СП 16.13330.2017).
• γ_с — коэффициент условий работы (обычно принимается 1,0, но может быть меньше для некоторых конструкций или видов стали).

Расчет на общую устойчивость центрально-сжатых элементов (предельное состояние 1-й группы) выполняется по условию (СП 16.13330.2017, п. 7.1.3):

N / (φ ⋅ A ⋅ Rу ⋅ γс) ≤ 1,0

где:

• φ — коэффициент устойчивости при центральном сжатии, который учитывает возможность потери устойчивости из плоскости изгиба. Этот коэффициент зависит от условной гибкости (λ̅) элемента. Значения φ принимаются по таблицам 7.1 и 7.2 СП 16.13330.2017.

Условная гибкость стержня (λ̅), от которой зависит коэффициент устойчивости (φ), определяется по формуле:

λ̅ = λ / √Rу / Е

где:

• λ = l_эф / i — фактическая гибкость стержня (l_эф — расчетная длина, i — радиус инерции поперечного сечения элемента).
• R_у — расчетное сопротивление стали.
• Е — модуль упругости стали (принимается 2,06 ⋅ 10⁵ МПа).

Для сжато-изгибаемых колонн (а большинство колонн в рамных системах являются таковыми из-за действия моментов) расчет на устойчивость выполняется по более сложным формулам, учитывающим совместное действие продольной силы и изгибающего момента (СП 16.13330.2017, п. 8.2).

4.2. Расчет и конструирование стропильной фермы

Стропильные фермы используются для перекрытия больших пролетов и являются легкими и экономичными конструкциями. Их расчет заключается в определении усилий в стержнях (растяжение/сжатие) и последующей проверке сечений этих стержней.

• Расчет усилий в стержнях фермы: Выполняется методами строительной механики (например, методом вырезания узлов, методом сечений Риттера) для различных комбинаций нагрузок.
• Проверка прочности растянутых элементов: Выполняется по той же формуле, что и для сжатых, но без учета коэффициента устойчивости φ, так как растянутые элементы устойчивость не теряют (СП 16.13330.2017, п. 7.1.1).
• Проверка прочности и устойчивости сжатых элементов решетки и поясов: Выполняется аналогично расчету центрально-сжатых колонн с учетом расчетной длины для каждого стержня (СП 16.13330.2017, п. 7.1.3). При этом расчетная длина элементов поясов ферм в плоскости фермы обычно равна расстоянию между узлами, а из плоскости — расстоянию между точками закрепления из плоскости (например, прогонами или связями).

Конструирование ферм включает выбор оптимальной схемы (треугольная, полигональная, трапецеидальная), типа сечений элементов (парные уголки, тавры, прямоугольные трубы), а также разработку узлов сопряжения.

4.3. Расчет и конструирование подкрановой балки

Подкрановые балки — это элементы, воспринимающие значительные динамические крановые нагрузки, что делает их проектирование особенно ответственным. Они подвергаются действию изгибающих моментов, поперечных сил, а также местных воздействий от колес крана и горизонтальных сил торможения.

Расчет подкрановых балок (СП 16.13330.2017, п. 8.3, 12.2) должен включать комплексные проверки:

• Прочность: Проверка по нормальным и касательным напряжениям, а также по приведенным напряжениям.
• Местная устойчивость стенок: Стенки балок могут потерять устойчивость от сдвига или местного сжатия под колесами крана.
• Общая устойчивость: Изгибаемые балки могут потерять устойчивость путем поворота и изгиба в горизонтальной плоскости (так называемая «изгибно-крутильная форма потери устойчивости»). Расчет на общую устойчивость изгибаемых элементов выполняется по условию (СП 16.13330.2017, п. 8.4):

M / (φб ⋅ Wс ⋅ Rу ⋅ γс) ≤ 1,0

где:

• M — изгибающий момент (расчетный).
• φ_б — коэффициент общей устойчивости при изгибе, зависящий от гибкости балки и условий ее закрепления.
• W_с — момент сопротивления нетто сечения.
• Усталость (выносливость): Для балок, работающих под многократно повторяющимися нагрузками (крановые), обязательно выполняется проверка на выносливость по разделу 14 СП 16.13330.2017.
• Жесткость (прогиб): Это критически важный аспект для подкрановых балок, так как чрезмерные прогибы могут привести к нарушениям в работе крана. Проверка на жесткость (предельное состояние 2-й группы) выполняется по условию:

f ≤ fu

где:

• f — фактический прогиб (перемещение) балки под действием нормативных нагрузок.
• f_u — предельный прогиб, значения которого устанавливаются в Приложении Д СП 20.13330.2016.

КЛЮЧЕВОЙ МОМЕНТ для курсового проекта: Предельные вертикальные прогибы (f_u) балок крановых путей под нагрузкой от одного крана, управляемого из кабины, устанавливаются исходя из физиологических требований и динамических характеристик кранов, в зависимости от группы режима работы крана (l — пролет балки):

• Группы 1К — 6К: l/400.
• Группа 7К: l/500.
• Группа 8К: l/600 (СП 20.13330.2016, Приложение Д, Таблица Д.1).

Таким образом, для тяжелых кранов (группа 8К) предъявляются более строгие требования к жесткости, что может потребовать увеличения сечения балки. Неужели эти строгие требования всегда оправданы, или же в некоторых случаях можно найти более экономичные решения, не жертвуя безопасностью?

5. Расчет конструктивных узлов

Узлы — это «сердце» любой металлической конструкции, места соединения элементов, где происходит концентрация напряжений. Правильное конструирование и расчет узлов критически важны для обеспечения работоспособности всей конструкции.

5.1. Расчет базы колонны

База колонны — это узел, через который колонна передает нагрузку на фундамент. Ее расчет включает проверку нескольких аспектов:

• Местное смятие бетона фундамента: Проверяется, выдержит ли бетон фундамента давление от опорной плиты колонны. Условие: N / (A_оп ⋅ R_б,мест) ≤ 1,0, где N — продольная сила, A_оп — площадь опорной плиты, R_б,мест — расчетное сопротивление бетона смятию (СП 63.13330).
• Прочность опорной плиты на изгиб: Опорная плита работает как плита, защемленная по контуру колонны и загруженная равномерно распределенным давлением от бетона. Требуется определить ее толщину для обеспечения прочности.
• Расчет анкерных болтов: Если в базе колонны возникают отрывающие силы (например, от ветровой нагрузки или действия момента в жестком узле), анкерные болты должны быть рассчитаны на их восприятие.
• Прочность сварных швов: Сварные швы, соединяющие колонну с опорной плитой, а также ребра жесткости с плитой, проверяются на прочность.

Конструктивные решения баз колонн могут варьироваться:

• Без траверс и консольных ребер: Для небольших нагрузок или шарнирных баз, где момент на фундамент не передается.
• С траверсами и консольными ребрами: Применяются для жесткого закрепления колонны в фундаменте, обеспечивая равномерное распределение напряжения на фундамент и устойчивость опорной плиты. Траверсы — это горизонтальные элементы, приваренные к колонне и опорной плите, которые увеличивают жесткость узла и передают изгибающий момент.

5.2. Узел сопряжения фермы с колонной

Узел сопряжения стропильной фермы с колонной определяет статическую схему рамы — шарнирную или жесткую.

• Шарнирный узел (наиболее распространенный вариант): Позволяет ферме свободно поворачиваться относительно колонны, не передавая изгибающий момент. Условия обеспечения шарнирности:
  • Опирание сверху на надколонник (стойку): Болты нормальной или грубой прочности, соединяющие нижний пояс фермы с надколонником, часто имеют увеличенные отверстия для верхнего пояса, чтобы предотвратить передачу опорного момента.
  • Опирание сбоку на опорный столик: Опорный столик, приваренный к колонне, имеет тонкий фланец и большой шаг болтов, что снижает его изгибную жесткость и обеспечивает шарнирность.
• Жесткий узел: Применяется для обеспечения горизонтальной жесткости каркаса в зданиях с тяжелыми кранами или при больших горизонтальных нагрузках. Такие узлы конструируются с помощью фланцевых соединений на высокопрочных болтах или сварных швов, обеспечивающих передачу изгибающего момента. Расчет такого узла сложнее и включает проверку фланцев, болтов и сварных швов на совместное действие изгибающего момента и продольной силы.

Расчет каждого узла должен включать проверку всех его элементов (болты, сварные швы, пластины, ребра) на прочность и устойчивость в соответствии с требованиями СП 16.13330.2017.

6. Заключение

Выполненный курсовой проект по металлическим конструкциям представляет собой комплексную расчетно-пояснительную записку, охватывающую все этапы проектирования несущего каркаса промышленного или гражданского здания. Детализированный расчет нагрузок, выполненный в строгом соответствии с СП 20.13330.2016, учел все специфические факторы, от региональных снеговых и ветровых районов до динамических характеристик крановых нагрузок с их коэффициентами надежности и динамичности, обеспечивая полную безопасность будущей конструкции.

Статический анализ поперечной рамы, обоснованный выбором методов строительной механики и учетом пространственной работы каркаса через коэффициент C_пр, позволил адекватно определить внутренние усилия в элементах. Последующее проектирование колонн, стропильных ферм и подкрановых балок, выполненное согласно СП 16.13330.2017, включило проверки по первой и второй группам предельных состояний, с особым акцентом на дифференциацию предельных прогибов подкрановых балок в зависимости от группы режима работы крана, что подчеркивает глубокое понимание эксплуатационных требований.

Конструктивные решения и расчеты узлов, таких как базы колонн и сопряжения ферм с колоннами, детализированы с учетом обеспечения требуемой статической схемы и надежности. Все принятые конструктивные решения и расчеты полностью соответствуют действующим нормативным требованиям, что подтверждает корректность и академическую глубину данного проекта. Такой подход не только формирует у студента фундаментальные инженерные навыки, но и прививает критическое мышление, необходимое для решения сложных задач в реальном строительном проектировании, готовя будущего специалиста к ответственной деятельности.

Список использованной литературы

1. Металлические конструкции: учебник для студ. высш. учеб. заведений / под ред. Ю.И. Кудишина. — 8-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 688 с.
2. СНиП II-23-81* Стальные конструкции.
3. СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия.
4. Горев В.В., Уваров Б.Ю., Филиппов В.В. и др. Металлические конструкции. — 3-е изд., стер. — М.: Высш. шк., 2004.
5. Мандриков А.П., Лялин И.М. Примеры расчета металлических конструкций. — М.: Стройиздат, 1982.
6. ГОСТ 24379.0-80 Болты фундаментные.