Расчет металлоконструкций с целью увеличения надежности построек

Изделия из стали и чугуна, прокатные или литые, используются обычно при сооружении несущих элементов построек, вследствие чего расчет металлоконструкций должен быть предельно точным.

Расчет металлоконструкций, основанный на СНиП

Определение пригодности любого продукта металлургической промышленности начинается с марки стали или чугуна, которая в наибольшей степени отвечает возлагаемым на изделие задачам. Иными словами, если конструкция, которая будет собрана из ряда металлических изделий, является несущей, нужны одни марки сплавов, если не несущей, можно использовать их же, или варианты с более низкой прочностью. Однако, поскольку вы будете покупать готовые изделия, задумываться о свойствах металлов не придется, нужно лишь выбрать наиболее подходящий материал с оптимальными характеристиками.

В первую очередь, вам нужно определиться, будете ли вы собирать конструкцию сваркой или это будет болтовое соединение деталей. Исходя из заданных параметров, вам останется выбрать тот или иной вид металлопроката. При этом рекомендуется оглядываться на СНиП II-23-81, поскольку для каждого вида металлоконструкций существуют определенные нормативы. По большей части в строительстве используется металлопрокат общего назначения, а именно: тавры и двутавры, трубы различных типов профиля (круг, квадрат, прямоугольник), уголки, швеллеры. Также в ход идут специальные изделия, получаемые путем проката – двутавровые балки, профильный лист.

Все метизы классифицируются по сортаментам, то есть, по таким характеристикам, как форма, габариты, вес определенной единицы длины (как правило, погонного метра), допустимые погрешности размеров и геометрии, и даже способ перевозки. Кроме того, все металлопрокатные изделия производятся согласно ГОСТ или, что случается реже, техническим условиям предприятия. Выбор же лучше делать, исходя из того, насколько характеристики выгодны для той или иной задачи. Расчет металлоконструкций относительно экономичности проката выполняется отдельно, для этого существуют специальные формулы, и начнем мы именно с этого этапа.

Расчет металлоконструкций в отношении их экономичности

Мнение, что чем меньше габариты и вес металлопроката, тем выгоднее будет из него конструкция – ошибочно. Нетрудно догадаться, что более тонкие уголки выдержат меньшую нагрузку и это справедливо по отношению к любым материалам из стали или чугуна. Поэтому основных критериев определения экономичности изделия, будь то двутавр или швеллер, используются довольно много. В частности, обычный и пластический момент сопротивления (соответственно, W и W_п), момент инерции I, радиус инерции i и сопротивление поперечного сечения срезу C_c. Именно по всем этим параметрам определяется наиболее выгодная форма изделия.

Для частных случаев логичнее использовать такую величину, как удельная площадь профиля в поперечном сечении, которая обозначается как А_w и определяется по формуле А_w = А/W^2/3. Здесь А – площадь поперечного сечения профиля, или, иначе, заданное количество материала, а W – момент сопротивления, равный единице. Сравнивая различные конструкционные элементы и имея показатели N = N₁, которые могут выражать любую из характеристик материала (W, W_п, I, I или C_c), мы все равно не всегда получаем идентичные профили. А потому необходимо выполнять расчет металлоконструкций по формуле определения относительной экономичности одного материала относительно другого: Δ = (F/F₁ – 1) ^. 100 %, результат вычислений выражается в процентах. Здесь F и F1 могут означать массу либо стоимость определенной единицы длины или всего металлопрокатного изделия, а также площадь поперечного сечения.

Калькулятор металлоконструкций – определяем нагрузку

Неважно, что сделано из проката – ферма или балка, на нее сразу начинают воздействовать определенные силы изгиба, кручения и многие другие. Помимо этого со временем добавляются и другие нагрузки, которые необходимо предусмотреть, например, масса снегового покрова на крыше или даже накапливание пыли и грязи на металлических перекрытиях. Но в первую очередь следует учитывать именно воздействующие силы, и рассчитать их поможет калькулятор металлоконструкций.

Итак, в первую очередь рассмотрим наиболее значительные нагрузки, возникающие за счет собственной массы конструкции и многих других факторов – на изгиб и изгиб с растяжением. Вычислить можно по формулам σ = M/W <=[σ] и σ = M/W + F/A <= [σ] соответственно, где M – изгибающий момент, W – сопротивление изгибу, F – прилагаемая сила (например, масса), А – площадь поперечного сечения конструкции. F в свою очередь высчитывается по формуле F = F_Q + F_G, где F_Q – усилие, создаваемое полезной нагрузкой, а F_G – усилие, возникающее из-за собственной массы.

Иногда необходимо заранее предусмотреть допустимую гибкость стержня фермы, в этом случае применяется формула λ = l/r_min, в которой l – длина стержня, а r_min = (J_min/A)^1/2, где J_min – минимальный момент инерции сечения. Собственно, можно обойтись без вычислений, воспользовавшись таблицей, позволяющей ориентироваться также на коэффициент продольного изгиба φ:

Предельные значения нагрузок, равно как и деформаций, указаны в СНиП для каждого возможного типа конструкции.

Расчет стоимости металлических изделий

Наиболее часто все, кто не слишком хорошо знаком с диапазонами цен на метизы, отправляются на строительный рынок, где ходят часами, изучая стоимость различных профилей и листового проката. По сути, это правильно, поскольку все оценки затрат основываются на рыночных ценах. Однако в целом стоимость конструкции складывается не только из цен на материалы, но и с учетом трудоемкости сборки, а также из величины расходов на перевозку металлопроката. Кроме того, вложения средств потребует и составление проектного пакета чертежей.

Самый же простой способ определения экономичности вашего выбора того или иного горячекатанного профиля (для частных нужд, когда нет резона обращаться к специалистам) – по способу изготовления. Так, наиболее доступными и недорогими являются изделия, получаемые путем горячего проката, сортовые и профильные продукты, листовые материалы. Из этих же изделий в дальнейшем получают путем холодного проката гнутые профили и гофрированные метизы, которые по вполне понятным причинам дороже обычных стальных листов. Исключение в отношении дешевизны составляют бесшовные трубы, намного доступнее которых электросварные.

Последние изготавливают посредством продолжительного холодного профилирования из листов металла, полученных путем горячего проката. Швы получают с помощью высокочастотных токов, формирующих коронную дугу на конце электрода. Подобным методом производятся не только электросварные трубы, но и замкнутые профили прямоугольных сечений. Последние несколько дороже, если их изготавливают посредством изменения формы гнутосварных труб с круглым поперечным срезом.