Проектирование металлической балочной клетки — это процесс подбора необходимых сечений всех конструктивных элементов, к которым относятся главные балки, балки настила, настил и колонны.
С момента начала активного использования металлических конструкций в строительстве прошло уже много лет, именно этот материал позволяет реализовать самые дерзкие и смелые идеи архитекторов. Металл применяется в строительстве линейных объектов (мосты, железные дороги, опоры воздушных линий и т.д.) и объектов капитального строительства (автосалоны, складские здания, промышленные объекты и многие другие).
Металлические конструкции, так же как и железобетонные или деревянные, состоят из определенного набора подобранных по сортаменту элементов, размер которых зависит от того типа и количества нагрузок, на которые эта конструкция будет рассчитана. В начале проектирования необходимо проанализировать исходные данные, а именно шаг и пролет балок настила, постоянную и временную нагрузку, высоту этажа, марку стали.
Металлическая балочная клетка состоит из главных балок, балок настила и колонн. В рамках проектирования выполняется расчет настила, расчет прокатных балок или составных балок, а также конструирование центрально-сжатых колонн.
Рисунок 1. Металлическая балочная клетка. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В рамках учебных заданий и курсового проектирования рассматривается методика расчета основных элементов балочной клетки, в дальнейшем все операции выполняются в автоматизированный программах, позволяющих быстро и точно подобрать нужные сечения, исключив вероятность ошибки.
Расчет главной балки
Расчет начинается с компоновки, выполняемой на основании чертежа и заданных исходных данных. Обычно рассматриваются главные балки в виде симметричного сварного двутавра с шарнирным опиранием на колонны, они являются несущими, на них опирается либо непосредственно настил (в виде стального листа), либо балки настила, а на них опирается настил.
Для сбора нагрузок, приходящихся на балку, следует учесть постоянные нагрузки:
- собственный вес настила;
- собственный вес балки настила;
- собственный вес балки.
А также временные нагрузки:
- вес оборудования;
- вес продукции;
- снеговая и ветровая нагрузки.
После сбора нагрузок определяется грузовая площадь, которая воспринимает найденные ранее нагрузки, и производится подбор сечения балки, удовлетворяющей условиям. После подбора сечения требуется провести проверку прочности и жесткости балки, общей устойчивости и местной устойчивости ее элементов. Если в результате выполнения проверок балка не проходит по одному или нескольким показателям, то стоит рассмотреть другое сечение балки. После проведения всех проверок необходимо рассчитать сварные швы и поперечные ребра жесткости.
Расчет центрально-сжатых колонн
Расчет металлических колонн в рамках первых студенческих расчетных работ рассматривается в самом простом варианте, при центральном опирании балки на колонну. В таком случае колонная работает на сжатие и должна удовлетворять требованиям прочности и устойчивости. Обычно рассматривают двутавровую форму колонны с параллельными гранями полок, с шарнирным закреплением концов.
Расчет центрально-сжатой колонн сплошного сечения начинается с определения расчетной сжимающей силы, которая зависит от элементов, которые опираются на колонну и ее собственного веса. Далее для расчета нужно определить 2 величины:
- площадь поперечного сечения;
- коэффициент продольного изгиба.
Поскольку одно зависит от другого, то для поиска оптимального решения используют метод последовательных приближений. После подбора сечения его также нужно проверить на соответствие требованиям местной устойчивости.
Программы для автоматического расчета стальных конструкций
Ручной способ подбора сечений дает полное представление о созависимых величинах, о том, как распределяется нагрузка, как меняется сечение в зависимости от увеличения нагрузок, в чем отличие растяжения и сжатия, но этот метод очень трудоемок и требует больших временных затрат. Поэтому параллельно студенты осваивают программы, в которых расчет автоматизирован. Выбор подобных программ на рынке достаточно велик и разнообразен, популярны универсальные программы Structure CAD (SCAD), Лира, Компас 3D, в которых можно произвести множество различных расчетов и увидеть проектируемые сечения в виде виртуальных моделей. Также легко можно найти небольшие программы, которые позволяют легко и быстро выполнять небольшие расчетные операции, к примеру расчет главной балки, или расчет колонны. Также пользуются популярность калькуляторы металлопроката, которые позволяют оценить вес подобранных конструкций. Достоинством автоматизированного метода является также итоговая экономия металла, за счет подбора максимально точных сечений, без закладывания превышающих необходимые коэффициенты запаса.
