Расчёт металлоконструкций: методы и проверка

Расчёт конструкций при проектировании

Для расчёта строительных конструкций до сих пор применяли два основных метода. С конца XIX века до 1950–1960-х годов действовал метод допускаемых напряжений: максимальное напряжение в элементе, определённое методами строительной механики, не должно превышать допускаемое, равное пределу текучести, делённому на коэффициент запаса прочности (для большинства конструкций около 1,36). Метод был простым и достаточно эффективным для конструкций, условия эксплуатации которых не учитывались, но когда один коэффициент уравнивает конструкции от очень тяжёлых до лёгких режимов работы, это тормозило развитие и форм, и материалов.

В 1950-х годах его сменил метод предельных состояний. Для первого предельного состояния расчётное усилие в конструкции от наиболее невыгодного сочетания расчётных нагрузок не должно превышать её несущую способность. Основные понятия метода — нормативные и расчётные величины: расчётная нагрузка равна нормативной, умноженной на коэффициент надёжности по нагрузке; расчётное сопротивление материала равно нормативному (по результатам испытаний на заводах, по пределу текучести и временному сопротивлению), делённому на коэффициент надёжности по материалу. Кроме того, учитывают коэффициенты сочетания нагрузок, если действуют две и более временных нагрузок, и коэффициент условий работы, отражающий ответственность конструкции, условность расчётной схемы и другие особенности.

Расчёт эксплуатируемых конструкций

Если применить то же требование к существующим металлическим конструкциям, запроектированным без неоправданных запасов, неравенство практически не выполняется: при эксплуатации сечения изнашиваются, появляются отклонения от проекта, прочность снижается. При реконструкции условия могут ухудшаться (растут нагрузки, меняется агрессивность среды), а нормы со временем меняются обычно в сторону большей строгости. В то же время опыт показывает безаварийную работу конструкций в течение 50–100 лет. Поэтому для эксплуатируемых конструкций условие записывают иначе: усилия в конкретной конструкции при фактических условиях эксплуатации не должны превышать её фактическую несущую способность на данный период, а она — расчётную.

Такой подход позволяет перейти от полувероятностных методов для новых конструкций к моделям, учитывающим конкретное состояние конструкции: дефекты, повреждения, фактическую геометрию, расчётные характеристики материалов и эксплуатационные нагрузки. Опыт поверочных расчётов показывает, что можно снизить (иногда существенно) нагрузки по сравнению с расчётными, повысить расчётное сопротивление и применить расчётную схему, соответствующую фактической работе. Наибольшие резервы выявляют в конструкциях, запроектированных по методу допускаемых напряжений. Учёт фактической технологии производственных процессов может снизить крановые нагрузки до 40 %, а исследование атмосферных воздействий с учётом конкретного расположения объекта — ветровую и снеговую нагрузку на 5–25 %. Расчётную схему можно уточнить, включив в работу продольные элементы каркаса (диск покрытия, продольные связи, тормозные конструкции), торцевой фахверк, фонари, учтя повороты фундаментов и т. д.

Для существующих конструкций меняется смысл нормативных величин. Нагрузки определяют по информации о технологическом процессе (технологические карты, планы размещения оборудования, характеристики оборудования), о положении объекта в конкретной застройке и особенностях внешних и внутренних воздействий; коэффициенты надёжности по нагрузке определяют анализом характера нагрузок и возможных неблагоприятных отклонений. Свойства металла и соединений уточняют, чтобы назначить расчётные сопротивления, проверить служебные свойства (хладостойкость, сопротивление усталости) и технологические свойства (свариваемость, обработка резанием); их определяют прямыми или косвенными методами и обрабатывают статистически.

Поверочный расчёт несущей способности конструкций

Расчёт несущей способности нужен, чтобы определить прочность и несущую способность конструкции при увеличении на неё эксплуатационных нагрузок и расширении сферы применения. Его выполняют:

• при внесении изменений в конструктив здания;
• при увеличении нагрузок на сооружение;
• при износе;
• при техническом перевооружении и реконструкции;
• при деформации конструкций.

Мы рассчитываем антенно-мачтовые сооружения (башни связи, антенны, радиомачты), каркасы, перекрытия и фундаменты зданий (поверочный расчёт прочности для расширения сферы применения или для определения возможности размещения на здании антенно-мачтовых сооружений), а также нестандартные конструкции со сбором нагрузок и расчётом несущей способности. Опыт выполнения расчётов у наших инженеров — не менее 10 лет; с нами работают операторы сотовой связи и их подрядные организации. Операторы требуют расчётов несущей способности, чтобы исключить аварийные ситуации и определить ресурс своих сооружений, поскольку количество оборудования на башнях связи постоянно растёт из-за новых стандартов связи.

В состав поверочного расчёта входят: расчёт нагрузок и усилий в элементах, расчёт деформаций сооружения под действием ветровой нагрузки, проверка соответствия принятых конструктивных решений действующим нормативным документам, проверка безопасности и эксплуатационной пригодности соединений элементов и сечений, оценка соответствия сооружения требованиям безопасности. Результат оформляют как отчёт, а при поверочном расчёте — как экспертное заключение на проектное решение или проект. Стоимость определяем индивидуально; отправьте техническое задание и имеющуюся документацию.