Проектирование и расчет стальной рабочей площадки: Методическое руководство к курсовой работе

Введение в проектирование стальных конструкций

Курсовая работа по стальным конструкциям — это комплексная инженерная задача, центральным объектом которой выступает стальная рабочая площадка. Основная цель работы заключается в том, чтобы на основе исходных данных спроектировать конструкцию, которая будет не только надежной и безопасной в эксплуатации, но и экономически целесообразной. Весь процесс проектирования и расчетов строится на методе предельных состояний, который гарантирует, что конструкция не достигнет состояний, опасных для эксплуатации или приводящих к ее непригодности.

Методологической базой для всех вычислений и проектных решений служат строгие нормативные документы. Ключевыми из них являются:

• СП 470.1325800.2019 «Конструкции стальные. Правила производства работ»
• СНиП II-23-81* «Стальные конструкции»

Важно отметить, что современные подходы к расчету, применяемые в работе, гармонизированы с требованиями европейских стандартов, в частности с ТКП EN 1993-1, что обеспечивает актуальность и релевантность полученных навыков. Прежде чем приступить к расчетам, необходимо определить исходные данные и выполнить компоновку конструктивной схемы площадки.

Что нужно знать для начала, или Исходные данные и компоновка схемы

Первый шаг любого проекта — это систематизация исходных данных. В рамках данной курсовой работы объектом проектирования является рабочая площадка, расположенная в г. Иркутск. Этот географический фактор критически важен, так как он определяет климатические и снеговые нагрузки, которые будут учтены в дальнейших расчетах. Задаются габаритные размеры площадки в плане (длина и ширина) и ее высотная отметка.

Далее следует один из ключевых этапов — компоновка конструктивной схемы. Необходимо выбрать тип балочной клетки (например, нормальный, усложненный или упрощенный). Этот выбор не является произвольным и должен быть обоснован с помощью технико-экономического сравнения различных вариантов, что позволяет найти оптимальный баланс между металлоемкостью и сложностью изготовления.

В качестве основного материала для несущих конструкций принимается сталь марки С275. Это распространенная строительная сталь с расчетным сопротивлением по пределу текучести 26 кН/см². Ее механические свойства, такие как прочность и пластичность, напрямую зависят от химического состава (содержания кремния, марганца) и внутренней структуры, состоящей из феррита и перлита. Назначив предварительный шаг балок и колонн, можно переходить к следующему этапу.

Когда конструктивная схема определена, первый и самый ответственный этап расчета — это сбор всех нагрузок, которые будут действовать на конструкцию.

Как правильно собрать все нагрузки на рабочую площадку

Сбор нагрузок — фундаментальный этап, от точности которого зависит безопасность всей конструкции. Все нагрузки делятся на две основные категории:

1. Постоянные нагрузки. К ним относится собственный вес всех конструктивных элементов: стального настила, балок настила, главных балок, связей и колонн. Этот вес рассчитывается на основе геометрических размеров сечений и плотности стали.
2. Временные нагрузки. Эта категория включает в себя полезную нагрузку на перекрытие (зависит от назначения площадки и технологического оборудования) и климатические нагрузки, актуальные для г. Иркутск, в первую очередь — снеговую.

Для каждой из нагрузок определяется ее нормативное значение, а затем, путем умножения на соответствующий коэффициент надежности по нагрузке (γf), взятый из СП, — расчетное значение. Результаты этого этапа удобно свести в единую таблицу для наглядности.

Пример таблицы сбора нагрузок на 1 м² перекрытия

Наименование нагрузки	Нормативное значение, кПа	Коэффициент надежности, γf	Расчетное значение, кПа
Собственный вес настила	g_n1	1.05	g_1
Собственный вес балок	g_n2	1.05	g_2
Полезная нагрузка	v_n	1.2	v
Снеговая нагрузка	s_n	1.4	s

На основе этих данных составляются расчетные сочетания усилий (РСУ), которые будут использоваться для проверок элементов по первой группе предельных состояний (прочность и устойчивость). Имея полные данные о нагрузках, можно приступать к проектированию отдельных элементов, начиная с самого верхнего — стального настила.

Расчет и подбор стального настила как первого элемента на пути нагрузки

Стальной настил (например, из рифленого стального листа) является самым верхним несущим элементом, который непосредственно воспринимает полезную нагрузку и передает ее на балочную клетку. Его расчет — это двухэтапный процесс, соответствующий двум группам предельных состояний.

1. Расчет по первой группе предельных состояний (на прочность). Настил рассматривается как изгибаемый элемент. На основе максимальной распределенной нагрузки, действующей на него, определяется максимальный изгибающий момент. По этому моменту и расчетному сопротивлению стали подбирается требуемый момент сопротивления сечения, что позволяет определить минимально необходимую толщину листа.

2. Расчет по второй группе предельных состояний (на жесткость). После того как толщина настила подобрана по прочности, необходимо убедиться, что его деформации (прогибы) не превысят допустимых значений. Выполняется проверка на прогиб, при этом допустимый относительный прогиб для настилов рабочих площадок часто принимается равным 1/200 от его пролета. Если фактический прогиб оказывается больше нормативного, толщину листа необходимо увеличить.

По результатам двух проверок принимается окончательная, большая из двух полученных, толщина стального листа. Настил передает нагрузку на поддерживающие его балки. Следующий логический шаг — расчет этих балок.

Проектируем балку настила, или Детальный разбор расчета на прочность и жесткость

Балки настила (второстепенные балки) служат непосредственной опорой для стального листа и передают нагрузку на главные балки. Алгоритм их расчета и подбора сечения включает несколько последовательных шагов:

1. Определение расчетной схемы и нагрузок. Балка настила обычно рассматривается как однопролетная шарнирно-опертая. На нее собирается нагрузка с соответствующей грузовой полосы перекрытия (произведение шага балок на 1 погонный метр).
2. Статический расчет. На основе расчетной схемы и нагрузок строятся эпюры изгибающих моментов (M) и поперечных сил (Q). Максимальные значения из этих эпюр используются для дальнейших проверок.
3. Подбор сечения по прочности. По максимальному изгибающему моменту вычисляется требуемый момент сопротивления (Wтр). По этому значению из сортамента прокатных профилей подбирается подходящий двутавр.
4. Комплексная проверка сечения. Подобранный профиль должен пройти три обязательные проверки:
   • Проверка прочности: по нормальным и касательным напряжениям.
   • Проверка общей устойчивости: чтобы исключить потерю устойчивости плоской формы изгиба.
   • Проверка жесткости: по аналогии с настилом, прогиб балки не должен превышать допустимого значения.

Если хотя бы одна из проверок не выполняется, необходимо выбрать из сортамента следующий по размеру профиль и повторить расчет. Балки настила опираются на главные балки, которые несут основную нагрузку от всего перекрытия. Теперь необходимо рассчитать их.

Главная балка как основа силовой схемы, ее расчет и конструирование

Главная балка является одним из самых ответственных элементов балочной клетки. Она воспринимает нагрузку от балок настила и передает ее на колонны. Ее расчет во многом аналогичен расчету балки настила, но имеет важную особенность — характер нагрузки.

В отличие от балки настила, которая нагружена равномерно распределенной нагрузкой, главная балка воспринимает нагрузку от второстепенных балок в виде сосредоточенных сил в точках их опирания. Также на нее действует собственный вес. Расчетный процесс выглядит следующим образом:

• Определение расчетной схемы и нагрузок: Схема — шарнирно-опертая, пролет равен шагу колонн. Нагрузки — собственный вес (распределенная) и сосредоточенные силы от балок настила.
• Построение эпюр M и Q: Эпюры будут иметь ступенчатый вид из-за сосредоточенных сил.
• Подбор сечения: По максимальному значению изгибающего момента из сортамента подбирается мощный двутавр с необходимым моментом сопротивления.
• Проверки: Выполняется полный комплекс проверок, аналогичный проверкам балки настила: на прочность, общую устойчивость и жесткость (прогиб).

В случае, если подобрать прокатный профиль не удается (например, из-за больших пролетов или нагрузок), могут рассматриваться варианты усиления или переход к составным (сварным) балкам. Мы спроектировали все балки перекрытия. Теперь необходимо убедиться, что вся балочная клетка в сборе работает как единая жесткая система.

Зачем нужна проверка жесткости балочной клетки и как ее выполнить

Отдельные балки и колонны, рассчитанные на вертикальные нагрузки, не гарантируют общую устойчивость и неизменяемость всей площадки. Под действием горизонтальных воздействий (например, от торможения технологического транспорта или ветровых нагрузок) конструкция может получить недопустимые деформации. Для обеспечения пространственной жесткости и стабильности в системе рабочей площадки предусматриваются специальные элементы — связи.

Система связей обычно состоит из двух компонентов:

• Горизонтальные связи: Располагаются в уровне перекрытия и представляют собой, как правило, диагональные элементы (крестовые или портальные), которые образуют жесткий горизонтальный диск. Этот диск воспринимает горизонтальные силы и передает их на вертикальные связи.
• Вертикальные связи: Располагаются между колоннами по осям площадки. Они воспринимают нагрузку от горизонтального диска и передают ее на фундаменты, обеспечивая общую устойчивость каркаса в вертикальной плоскости.

Расчет элементов связей ведется на условную поперечную силу, величина которой регламентируется нормами. В качестве сечений для связей часто используются уголки, трубы или швеллеры. Правильно спроектированная система связей превращает набор отдельных элементов в единую пространственную систему. Вся нагрузка от балочной клетки передается на вертикальные несущие элементы — колонны. Перейдем к их расчету.

Как рассчитать и сконструировать центрально-сжатую колонну

Колонна — основной вертикальный элемент, воспринимающий нагрузку от всей балочной клетки и передающий ее на фундамент. Для сжатых элементов, таких как колонны, ключевым фактором, определяющим их несущую способность, является не столько прочность, сколько устойчивость.

Расчет центрально-сжатой колонны — это итерационный процесс:

1. Сбор нагрузки: Определяется грузовая площадь, с которой собирается нагрузка на одну колонну, и вычисляется итоговая продольная сжимающая сила N.
2. Предварительный подбор сечения: Задаются предварительной гибкостью колонны (например, λ = 60-90) для определения коэффициента продольного изгиба φ. По требуемой площади сечения A = N / (φ * Ry) из сортамента подбирается профиль (например, двутавр).
3. Уточняющая проверка на устойчивость: Для выбранного сечения вычисляется фактическая гибкость относительно двух осей и уточняется значение коэффициента φ. Затем выполняется финальная проверка по формуле N / (φ * A) ≤ Ry * γc. Если условие не выполняется, сечение увеличивают.
4. Проектирование базы колонны: После подбора сечения стержня колонны конструируется ее база (опорная плита, траверсы, ребра), которая обеспечивает надежную передачу нагрузки с колонны на фундамент.

Все основные элементы подобраны. Финальный этап проектирования — конструирование и расчет узлов, которые соединяют эти элементы в единую систему.

Прочность всей системы определяется ее узлами, учимся их рассчитывать

Надежность и долговечность стального каркаса в равной степени зависят как от сечений стержневых элементов, так и от качества проработки их соединений. Узлы — это места концентрации напряжений, и их расчету следует уделять особое внимание. Рассмотрим пример расчета одного из ключевых узлов — сопряжения главной балки с колонной.

Конструктивное решение может быть разным: этажным (балка опирается на торец колонны сверху), на одном уровне или пониженным. Выберем для примера вариант крепления балки сбоку к колонне через опорное ребро. Такой узел состоит из нескольких элементов, каждый из которых требует проверки:

• Опорное ребро (или столик): Приваривается к колонне и служит опорой для балки. Его необходимо рассчитать на прочность из условия среза и смятия.
• Сварные швы: Швы, которыми опорное ребро крепится к колонне, являются самыми ответственными. Расчет прочности угловых сварных швов ведется по металлу шва и по границе сплавления.
• Болты (если используются): Если балка дополнительно крепится болтами для фиксации, их также рассчитывают на срез и растяжение.

Важно помнить, что в процессе сварки в металле могут возникать остаточные напряжения и деформации, что необходимо учитывать при конструировании сложных узлов.

Проектирование и расчеты завершены. Остается подвести итоги и правильно оформить результаты работы.

Заключение и выводы

В ходе выполнения курсовой работы был пройден полный цикл проектирования стальной рабочей площадки. Были последовательно выполнены все ключевые этапы: от компоновки конструктивной схемы и сбора нагрузок до детального расчета всех несущих элементов и конструирования их сопряжений.

Основные результаты проектирования сведены в итоговую таблицу.

Итоговые проектные решения

Элемент конструкции	Принятое сечение
Стальной настил	Лист рифленый t=X мм
Балка настила	Двутавр №X
Главная балка	Двутавр №Y
Колонна	Двутавр колонный №Z
Общая масса стали	XX.X т

На основе выполненных расчетов можно сделать главный вывод: спроектированная стальная конструкция рабочей площадки полностью соответствует требованиям действующих норм по прочности, жесткости и устойчивости. В качестве завершающего практического замечания следует упомянуть о необходимости защиты всех стальных конструкций от коррозии, например, путем окраски или горячего цинкования, для обеспечения их долговечности. Для верификации ручных вычислений и выполнения более сложных расчетов могут быть использованы современные программные комплексы, такие как ЛИРА-10, которые позволяют не только получить результат, но и вывести формулы для контроля.

Список использованной литературы

1. Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для ВУЗов / У. И. Беленя и др. Под общей редакцией Е. И. Беленя – М.: Стройиздат, 1986 – 560 с.
2. СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».
3. СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий».
4. СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия».
5. СНиП 23-01-99* «Строительная климатология».
6. СНиП 2-23-81* «Стальные конструкции».