Расчет металлоконструкций - особенности, требования и рекомендации

Металлоконструкции играют важную роль в строительстве зданий и сооружений. Их прочность и надежность напрямую зависит от качества расчета. Давайте разберемся в основных аспектах расчета металлоконструкций.

Виды металлоконструкций в строительстве

В строительной отрасли применяются следующие основные виды металлоконструкций:

• Стальной каркас зданий и сооружений (колонны, балки, фермы)
• Опоры линий электропередачи и контактной сети
• Мостовые металлоконструкции (пролетные строения, опоры, прогоны)
• Емкости и резервуары
• Трубопроводы
• Технологические металлоконструкции промышленных зданий

Расчеты необходимы для всех перечисленных конструкций с целью обеспечения их безопасности и эффективности.

Нормативная база для расчета металлоконструкций

Основными документами, регламентирующими расчет металлоконструкций, являются:

1. СП 16.13330.2017 "Стальные конструкции"
2. СП 20.13330.2016 "Нагрузки и воздействия"
3. СП 296.1325800.2017 "Конструкции стальные. Правила проектирования"
4. ГОСТ 27751-2014 "Надежность строительных конструкций и оснований"

В этих нормативах приведены указания по определению нагрузок, методам расчета элементов, критериям прочности и т.д. Их требования обязательны для соблюдения.

Основные этапы расчета

Полный расчет металлических конструкций включает следующую последовательность действий:

1. Анализ исходных данных и требований
2. Определение расчетной схемы конструкции
   Моделирование элементов конструкции (стержни, оболочки, пластины) Задание опорных условий и связей
3. Определение действующих нагрузок и воздействий
4. Расчет металлоконструкций на прочность и устойчивость
   Статический расчет Динамический и сейсмический расчет (при необходимости)
5. Конструирование и проверка узлов и соединений
6. Оценка надежности и живучести конструкции
7. Технико-экономическое сравнение вариантов (оптимизация)

На каждом этапе решаются свои задачи с использованием соответствующих методов.

Расчетные схемы и модели

Для расчета металлоконструкций используются их расчетные схемы - упрощенные расчетные модели, отражающие работу конструкций под нагрузкой с необходимой для инженерных расчетов точностью.

Различают следующие основные методы моделирования:

• Стержневая модель (стержни и стержневые элементы)
• Оболочечная модель (пластины и оболочки)
• Объемная модель (метод конечных элементов)

Стержневая модель наиболее проста, но позволяет учесть основные факторы для оценки прочности и устойчивости. Для сложных конструкций и уточненного анализа НДС применяют объемное моделирование.

Определение нагрузок и воздействий

На металлоконструкции действуют следующие основные виды нагрузок и воздействий:

• Постоянные (собственный вес конструкций, оборудования, грунта)
• Временные длительные (полезные нагрузки от людей, оборудования, складируемых материалов и др.)
• Кратковременные (от подвижного состава, автотранспорта, мостовых и подвесных кранов)
• Климатические (ветровые и снеговые)
• Аварийные (сейсмические воздействия, взрывы, пожар, столкновения)

Для каждой нагрузки определяют ее численные характеристики и сочетания с другими нагрузками.

Проверка прочности и устойчивости

По результатам расчета металлоконструкций выполняют проверку:

1. Прочности (по несущей способности сечений)
2. Устойчивости элементов (общей и местной)
3. Прогибов (деформаций)
4. Выносливости (при необходимости)
5. Сейсмостойкости (при сейсмических воздействиях)

Для этого сравнивают расчетные усилия и напряжения с допускаемыми по нормам. Проверяют также геометрические параметры (стрелы прогиба).

Оценка жесткости и деформативности

Наряду с прочностью и устойчивостью, важной характеристикой металлоконструкции является ее жесткость и деформативность.

Жесткость определяет способность конструкции сопротивляться деформациям под нагрузкой. Основной показатель - относительные или абсолютные перемещения (прогибы) элементов.

При расчете металлоконструкций по первой и второй группам предельных состояний определяют упругие деформации и сравнивают их с допустимыми значениями.

При необходимости выполняют повторный расчет с увеличенными сечениями элементов или/и с введением дополнительных связей для обеспечения требуемой жесткости.

Для уникальных конструкций допускаемые прогибы могут назначаться на основе специальных требований (например, по технологическим условиям).

Программное обеспечение

Современный расчет металлоконструкций осуществляется в специализированных программах, реализующих метод конечных элементов. К таким программам для расчета металлоконструкций относятся:

• APM Structure3D
• Лира-САПР
• SCAD Office
• Ansys
• Robot Structural Analysis Professional

Они позволяют моделировать конструкции любой сложности с учетом всех видов нагрузок, автоматизируют проверочные расчеты. Использование таких программ существенно повышает надежность и сокращает трудоемкость инженерных расчетов.

Пример расчета рамы одноэтажного здания

Рассмотрим пример расчета металлоконструкций на конкретном объекте - раме одноэтажного здания размерами 24x48 м с шагом колонн 6 м.

Исходные данные:

• Снеговой район - III
• Вес кровли - 0,7 кПа
• Полезная нагрузка - 0,96 кПа

По нагрузкам определяем усилия в элементах рамы. Затем подбираем двутавровые сечения колонн и балок, исходя из требуемой несущей способности.

Далее проверяем прочность сечений и устойчивость элементов рамы. При необходимости уточняем сечения. Также проверяем жесткость рамы - допустимый прогиб балки составляет 1/300 пролета 6 м, то есть 20 мм.

Расчет стоимости металлоконструкций

Одним из важнейших аспектов является определение стоимости металлических конструкций на стадии проектирования.

Стоимость зависит от:

• Массы металлоконструкций
• Трудоемкости изготовления и монтажа
• Стоимости металлопроката и комплектующих

Стоимость можно оценить по укрупненным показателям на единицу массы конструкций, исходя из применяемых материалов и типов соединений.

Расчет площади металлоконструкций для окраски

Для планирования расходов на окраску металлоконструкций необходимо определить общую площадь их поверхности, подлежащей антикоррозийной защите.

Для этого вычисляют площади отдельных элементов (стержней, листов, профилей) с учетом их размеров, а затем суммируют.

Также учитывают количество слоев покрытия, толщину одного слоя для расчета общего расхода краски.

Расчет изготовления металлоконструкций

На этапе технологической подготовки производства выполняют расчет трудозатрат и календарного плана изготовления металлоконструкций в цехах предприятия.

Определяют необходимое количество основного и вспомогательного оборудования, рабочих и ИТР, исходя из объемов работ. Рассчитывают нормы времени на отдельные операции.

На основе этих данных строится календарный график с указанием сроков начала и окончания изготовления различных узлов и элементов.

Выбор системы антикоррозионной защиты

При проектировании металлоконструкций важное значение имеет выбор эффективной системы антикоррозионной защиты, обеспечивающей требуемый срок службы.

Для наружных конструкций рекомендуется комбинированная система защиты:

1. Нанесение грунтовочного слоя (эпоксидные или цинкнаполненные грунты)
2. Окраска эмалью (полиуретановой, акриловой, хлорвиниловой)

Толщина и количество слоев покрытия зависит от агрессивности среды.

Расчет трудозатрат на покраску

Для определения сметной стоимости покраски металлоконструкций выполняют расчет трудоемкости на основные операции:

• Подготовка поверхности (обезжиривание, удаление ржавчины и старой краски)
• Грунтование поверхностей
• Окраска (каждый слой учитывается отдельно)
• Сушка покрытия

По нормативам вычисляют время на единицу площади, а затем определяют общую трудоемкость на весь объем работ.

Контроль качества покрытий

Качество выполненного антикоррозионного покрытия контролируют визуально и инструментальными методами:

• Проверка внешнего вида, отсутствия вздутий, потеков, подтеков и посторонних включений
• Измерение толщины покрытия толщиномерами
• Контроль адгезии методом решетчатых надрезов или отрыва

Результаты контроля должны соответствовать требованиям нормативной документации и проекта.

Ремонтные антикоррозионные покрытия

Попытка устранить дефекты локально, зачистить их и закрасить, приведет к снижению антикоррозионных функций покрытия.

При обнаружении большинства из описываемых в литературе дефектов готового лакокрасочного покрытия его следует удалить полностью и нанести заново.

Все описанные выше нарушения и многие другие выявляются при регулярном проведении инспекционного контроля качества окрасочных работ с привлечением независимых инспекторов визуального и измерительного контроля.

Нормативная база

При составлении технологической карты (листов), исходя из приборной обеспеченности, рекомендаций производителя материала и оборудования, а зачастую просто из своего собственного опыта работ, технологи используют любые подходящие источники: международные, зарубежные национальные стандарты и др.

На данный момент имеется много новых требований к контролю процесса антикоррозионной защиты, которые необходимо внести в действующие стандарты единой системы по защите от коррозии (ЕСЗК).

Квалификация исполнителей покрасочных работ

Для качественного выполнения покрасочных работ на металлоконструкциях большое значение имеет квалификация исполнителей.

К выполнению работ допускаются:

• Маляры строительные не ниже 4-го разряда
• Маляры-антикоррозийщики не ниже 3-го разряда

Опытные маляры 6 разряда могут выполнять работы по антикоррозионной защите любой сложности.

Также привлекаются специалисты по нанесению лакокрасочных материалов - технологи, инженеры.

Выполнение ответственных антикоррозионных работ на особо опасных, технически сложных или уникальных объектах допускается только под руководством ИТР.