Расчёт металлических конструкций на прочность и несущую способность является одной из ключевых задач в строительстве для обеспечения безопасности и долговечности объектов. 

Основным нормативным документом, регулирующим этот процесс в РФ, является СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*». Специалисты АО «ЦИФРА» проводят оценку прочности металлических конструкций зданий и сооружений, в том числе повышенного уровня ответственности, класс сооружений КС-3.

Расчёт прочности и несущей способности проводится в следующем порядке:

• сбор и анализ исходных данных;
• подготовка математической модели для расчёта методом конечных элементов;
• сбор нагрузок согласно действующим нормативным документам;
• определение напряжённо-деформированного состояния (НДС) конструкций в программно-вычислительных комплексах;
• оценка конструктивных элементов металлических конструкций по первой и второй группам предельных состояний;
• оценка сварных и болтовых соединений на прочность;
• подготовка отчётной документации.

Здания и сооружения рассчитываются на основные и особые сочетания нагрузок, включающие в себя следующие воздействия:

• собственный вес конструкций, нагрузки от оборудования, крановые нагрузки, снеговые нагрузки, ветровые нагрузки, определяющиеся согласно району расположения объекта и СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия»; 
• сейсмические нагрузки, устанавливаемые по СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах» согласно общему сейсмическому районированию территории Российской Федерации ОСР-2015, для атомных электростанций по НП-031-01 «Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций»;
• экстремальные климатические нагрузки (снеговые, ветровые, температурные), ударные нагрузки от транспортных средств по СП 296.1325800.2017 «Особые воздействия»;
• воздействие взрывной ударной волны по СП 88.13330.2014 «Защитные сооружения гражданской обороны».

Оценка прочности конструктивных элементов металлоконструкций

Расчёты прочности выполняются в программно-вычислительном комплексе SCAD Office, который позволяет определять усилия и перемещения элементов от расчётных сочетаний усилий (РСУ) и перемещений (РСП) и подбирать сечения согласно действующим нормам, в частности для металлических конструкций – по СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции».

Результаты проверки несущей способности представлены в виде коэффициента использования сечений, критического фактора, который не должен превышать 1.

 Коэффициенты использования стропильной фермы

Критический фактор – это величина, характеризующая исчерпание нормативного требования. Он определяется как максимальный среди факторов первой группы предельных состояний с коэффициентами использования при заданных РСУ, а именно: 

• прочность при действии продольных и поперечных сил, изгибающих моментов, совместном действии сил;
• устойчивость; 
• предельная гибкость.

Ко второй группе предельных состояний относится анализ предельных деформаций конструкций: прогибов, перемещений, предельных уровней колебаний. Прогиб оценивается по вертикальным перемещениям конструкций от определённого сочетания нагрузок.

 Вертикальные перемещения стропильной фермы

Анализ колебаний конструкций включает в себя определение форм колебаний, частот и периодов.

Оценка прочности узлов металлоконструкций

Для проверки баз колонн применяется как аналитический расчёт, так и сателлит пакета программ SCAD Soft – «Комета», который позволяет проверить прочность опорной плиты, бетона фундамента и сварного шва крепления по пунктам 8.6, 14.1 СП 16.13330.2017 с отображением коэффициентов использования соединения.

Аналитический расчёт болтовых соединений по СП 16.13330.2017 включает в себя вычисление расчётного усилия, воспринимаемого соединением на срез, смятие, растяжение. Полученное усилие сравнивается с расчётным сопротивлением болтового соединения, после чего можно сделать вывод, обеспечивается ли прочность соединения.

Фланцевые соединения растянутых элементов выполняются только с предварительно напряжёнными болтами и рассчитываются по СП 294.1325800.2017 «Конструкции стальные. Правила проектирования». Для данного вида соединения требуются проверки на прочность болтов, фланцев на изгиб, соединения на действие поперечных усилий и сварных швов. Кроме этого, необходимо определить предварительное натяжение и момент закручивания. Расчёты проводятся как аналитически, так и численно.

 Общий вид узла

В программно-вычислительных комплексах прочность оценивается по полям напряжений с точки зрения не превышения расчётных сопротивлений материалов элементов.

 Результаты расчёта, поле эквивалентных напряжений, МПа

Заключение

Таким образом, в данной статье рассмотрены ключевые аспекты проведения расчетов металлоконструкций по СП 16.13330.2017 с применением аналитических и численных подходов. 

Проведение расчетов металлических конструкций, включая узлы соединения, является важным этапом как при проектировании, так и при поверке существующих зданий и сооружений с учетом выявленных при обследовании дефектов.

Применение специализированных программно-вычислительных комплексов повышает скорость проведения расчетов, эффективность проектирования, позволяя:

• учитывать взаимодействия элементов конструкции;
• проводить расчеты с учетом особых нагрузок в сочетании с эксплуатационными;
• оценивать результаты по действующим нормативным документам без дополнительных аналитических расчетов.

Список использованных источников

1. Свод правил СП 16.13330.2017 "Стальные конструкции". Актуализированная редакция СНиП II-23-81*.

2. Свод правил СП 20.13330.2016 "Нагрузки и воздействия". Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*.

3. Свод правил СП 14.13330.2018 "Строительство в сейсмических районах". Актуализированная редакция СНиП II-7-81*.

4. Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии НП-031-01 "Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций".

5. Свод правил СП 296.1325800.2017 "Здания и сооружения. Особые воздействия".

6. Свод правил СП 88.13330.2022 "СНиП II-11-77* Защитные сооружения гражданской обороны".

7. Свод правил СП 294.1325800.2017 "Конструкции стальные. Правила проектирования".