СП 16.13330.2017: стальные конструкции
СП 16.13330.2017 применяется при расчете и проектировании стальных строительных конструкций зданий и сооружений. Требования охватывают выбор конструктивной схемы и материалов, проверку прочности и устойчивости, расчет соединений, листовых систем, усталости, защиту металла, а также оценку существующих и усиливаемых конструкций.
Расчет и проектирование металлоконструкций по СП 16.13330.2017
Надежная металлическая система должна сохранять несущую способность, устойчивость и пространственную неизменяемость на всех стадиях жизненного цикла. При расчете учитывают не только эксплуатацию, но и транспортирование, подъем, временное закрепление, монтаж и промежуточные состояния, когда расчетная схема отличается от окончательной.
Основная область применения охватывает стальные строительные конструкции, эксплуатируемые при температуре от -60 до +100 °C. Для специальных сооружений условия работы уточняют с учетом назначения объекта, технологических воздействий, особенностей среды и требований к безопасности.
Конструктивная схема и пространственная работа стального каркаса
Расчетная модель должна отражать действительное взаимодействие колонн, балок, ферм, связей, опор и фундаментов. Существенное влияние оказывают жесткость узлов, податливость основания, условия закрепления концов стержней и возможность горизонтальных перемещений рамы.
Пространственная неизменяемость обеспечивается системой вертикальных и горизонтальных связей, дисками перекрытий, жесткими узлами или сочетанием нескольких решений. Для сжатых поясов ферм, подкрановых конструкций и высоких стоек особенно важно надежное закрепление из плоскости.
Основные требования к расчетной системе конструкций из стали:
- передача вертикальных и горизонтальных усилий к фундаментам;
- устойчивость отдельных элементов и каркаса в целом;
- сохранение формы при монтаже и временных воздействиях;
- учет фактической жесткости узловых сопряжений;
- закрепление сжатых участков от потери устойчивости;
- возможность изготовления, транспортирования и сборки;
- доступность ответственных участков при эксплуатации.
Для наружных металлоконструкций предусматривают возможность осмотра, оценки технического состояния, профилактического обслуживания и ремонта. Форма элементов и узлов не должна способствовать длительному накоплению влаги. Замкнутые полости и труднодоступные зоны проектируют с учетом вентиляции и защиты поверхности.
Эти требования не относятся к элементам, полностью замурованным в бетон или кирпичную кладку, а также к конструкциям, закрытым листовыми материалами внутри отапливаемых помещений. Открытые торцы замкнутых профилей обычно защищают от попадания воды и загрязнений с учетом принятого способа антикоррозионной обработки.
Материалы, долговечность и защитные решения стальных несущих сооружений
Для несущих элементов применяют листовой и фасонный прокат, двутавры, швеллеры, уголки, гнутые профили, квадратные и прямоугольные трубы, круглые стальные трубы, полосы и другие виды металлопродукции. Выбор определяется назначением элемента, температурой эксплуатации, толщиной проката и требуемыми механическими свойствами.
При работе в атмосферной или промышленной среде учитывается коррозионная активность. Защитная система подбирается с учетом условий эксплуатации по требованиям, применяемым к защите строительных конструкций от коррозии. Используются лакокрасочные покрытия, цинкование, металлические покрытия и специальные марки стали.
Атмосферостойкие и коррозионно-стойкие стали целесообразны для объектов, где свойства материала позволяют уменьшить интенсивность поверхностного разрушения. Их применение не исключает необходимость правильного конструктивного оформления: застой воды, загрязнение и слабое проветривание могут ускорять развитие коррозионных повреждений.
При необходимости расчетная толщина листов и стенок труб увеличивается на величину, компенсирующую предполагаемые потери металла за срок эксплуатации. Аналогичный подход может использоваться для обеспечения требуемой огнестойкости, если увеличение сечения имеет соответствующее расчетное обоснование.
Защита и долговечность элементов металлокаркаса
| Условие эксплуатации | Техническое решение |
|---|---|
| Атмосферное воздействие | Лакокрасочная, металлическая или комбинированная защита |
| Интенсивная коррозионная среда | Специальные защитные системы и коррозионно-стойкие стали |
| Риск накопления влаги | Изменение геометрии узла, организация стока и вентиляции |
| Расчетная потеря металла | Увеличение исходной толщины проката или стенки трубы |
| Требуемая огнестойкость | Огнезащитные покрытия, облицовка либо специальные стали |
| Повышенные требования к геометрии | Расчет допустимых отклонений размеров и монтажных зазоров |
Огнестойкость обеспечивается сочетанием несущей способности самого элемента и выбранной системы огнезащиты. Применяются вспучивающиеся составы, штукатурные материалы, плитные облицовки и другие решения. В отдельных случаях используются стали с повышенной стойкостью к нагреву.
Точность изготовления и монтажа особенно важна для фланцевых соединений, опорных плит, направляющих, крановых путей и других узлов, чувствительных к отклонениям геометрии. Расчет допусков позволяет определить размеры, при которых реальные отклонения не нарушают предусмотренную работу конструкции.
Расчетные сопротивления и работа поперечных сечений несущих соединений
Несущая способность определяется характеристиками стали и геометрией профиля. В расчетах используются сопротивления по пределу текучести и временному сопротивлению, а также значения для сдвига, смятия и других напряженных состояний. Толщина проката влияет на принимаемые характеристики материала.
При выборе профиля учитывают площадь, моменты инерции, радиусы инерции, моменты сопротивления и положение главных осей. Для сварных двутавров, коробчатых и других составных профилей дополнительно оценивают местную работу стенок, поясов и соединительных элементов.
Основные расчетные сопротивления стали
| Напряженное состояние | Расчетная зависимость |
|---|---|
| Растяжение, сжатие и изгиб по пределу текучести | Ry = Ryn / γm |
| Растяжение по временному сопротивлению | Ru = Run / γm |
| Сдвиг | Rs = 0,58Ryn / γm |
| Смятие торцевой поверхности при наличии пригонки | Rp = Run / γm |
| Местное смятие в цилиндрических шарнирах | Rtp = 0,5Run / γm |
| Диаметральное сжатие катков | Red = 0,025Run / γm |
Коэффициент надежности по материалу зависит от вида металлопродукции и условий контроля механических свойств. Поэтому один и тот же предел текучести еще не означает одинаковую расчетную несущую способность для продукции разного происхождения и типа поставки.
Значения коэффициента надежности по материалу металлического каркаса
| Условия применения материала | γm |
|---|---|
| Прокат со статистическим контролем механических свойств | 1,025 |
| Прокат без статистического контроля при повышенном пределе текучести и горячедеформированные трубы | 1,100 |
| Остальной прокат и трубы, соответствующие установленным требованиям | 1,050 |
| Прокат и трубы по зарубежным стандартам | 1,050 |
| Отдельные конструкции пониженного уровня ответственности и ограниченного срока эксплуатации | 1,200 |
Растянутые, сжатые и изгибаемые элементы строительных конструкций
Центрально растянутые стержни проверяют по несущей способности поперечного сечения. При наличии отверстий или иных ослаблений учитывается площадь нетто. В отдельных случаях требуется оценка работы соединяемой детали в зоне передачи усилия.
Для центрально сжатой колонны определяющей может стать не прочность металла, а потеря общей устойчивости. Вероятность выпучивания увеличивается с ростом расчетной длины и уменьшением радиуса инерции. Поэтому одинаковые по площади профили могут существенно различаться по эффективности при продольном сжатии.
Расчетная длина зависит от схемы закрепления, жесткости сопряжений и способности рамы перемещаться. В пространственной системе длина относительно одной главной оси может отличаться от значения относительно другой.
Сквозные колонны состоят из нескольких ветвей, объединенных решетками или планками. Их расчет включает устойчивость всего элемента, отдельных ветвей и соединительной системы. Решетки воспринимают условную поперечную силу и обеспечивают совместную работу частей сечения.
Балки проверяются на действие нормальных и касательных напряжений. При сосредоточенной передаче нагрузки оценивается местная работа стенки. Сжатый пояс может потерять устойчивость из плоскости изгиба, поэтому наличие раскреплений существенно влияет на допустимый изгибающий момент.
Расчетные проверки стержневых элементов балочных сооружений:
- растяжение по ослабленному и неослабленному сечению;
- центральное сжатие и продольная устойчивость;
- местная устойчивость стенки и поясов;
- изгиб относительно одной или двух осей;
- срез стенки балки;
- локальная работа под сосредоточенным усилием;
- общая устойчивость изгибаемого элемента;
- предельная гибкость стержней;
- работа составных и сквозных профилей.
При совместном действии продольной силы и момента элемент работает как внецентренно сжатый, внецентренно растянутый или сжато-изгибаемый. Несущая способность оценивается с учетом взаимодействия усилий, устойчивости и формы поперечного сечения.
Фермы, связи, балки и колонны каркаса
Фермы работают преимущественно за счет продольных усилий в поясах и элементах решетки. Узлы должны обеспечивать передачу расчетных усилий без возникновения неучтенных эксцентриситетов. Сжатый пояс закрепляют из плоскости системой связей или другими элементами покрытия.
В связевых системах продольные силы воспринимаются диагоналями, распорками и горизонтальными элементами. Система должна передавать ветровые, монтажные, крановые и другие горизонтальные воздействия между рамами и фундаментами.
Колонны промышленных зданий нередко воспринимают продольную силу одновременно с моментами от рамной работы и воздействий кранов. В ступенчатых стойках учитывается изменение жесткости по высоте и особенности передачи усилий между верхней и нижней частями.
Балки крановых путей работают при многократно повторяющихся колесных воздействиях. Помимо общей прочности проверяются местные напряжения в стенке и поясе, горизонтальные воздействия, усталостная долговечность и работа соединений.
Листовые системы и местная устойчивость
Листовые конструкции воспринимают усилия преимущественно в плоскости оболочки. Цилиндрические и конические поверхности рассчитывают на внутреннее или наружное давление, осевые усилия, изгиб и их сочетания. Толщина стенки должна удовлетворять одновременно условиям прочности и устойчивости.
При наружном давлении или продольном сжатии тонкая оболочка может потерять устойчивую форму раньше достижения предела текучести. Критическое состояние зависит от отношения размеров к толщине, формы поверхности и наличия подкрепляющих элементов.
Отверстия, переходы диаметра, опоры и места сопряжения создают локальную концентрацию напряжений. В таких зонах применяют усиление, плавные переходы и дополнительные конструктивные элементы.
Усталость и предотвращение хрупкого разрушения стальных опор
Циклическое изменение усилий постепенно накапливает повреждения даже при напряжениях ниже предела текучести. Усталость характерна для подкрановых систем, технологических эстакад, транспортного оборудования и других металлоконструкций с многократно повторяющимися воздействиями.
Долговечность зависит от диапазона напряжений, количества циклов и концентрации напряжений. Наиболее чувствительны сварные переходы, отверстия, резкие изменения геометрии и другие участки с локальными пиками напряжений.
Для снижения риска усталостных трещин применяют плавное изменение сечений, рациональное расположение швов и исключают необоснованные конструктивные концентраторы. Важное значение имеет качество сварки и состояние поверхности.
Хрупкое разрушение возможно при ограниченной пластической деформации. Риск повышается при отрицательной температуре, значительной толщине проката, жестком напряженном состоянии, концентраторах и недостаточной ударной вязкости стали.
Факторы, влияющие на риск разрушения сталеконструкций:
- минимальная температура эксплуатации;
- толщина элемента;
- уровень растягивающих напряжений;
- наличие сварных соединений;
- резкие переходы сечения;
- отверстия и вырезы;
- циклическое нагружение;
- ударная вязкость материала;
- качество изготовления и состояние поверхности.
Сварные, болтовые и фрикционные соединения
Соединение должно передавать расчетное усилие без разрушения сварного шва, болта или ослабленного участка основного металла. Конструкция узла должна обеспечивать понятный силовой поток и исключать необоснованные эксцентриситеты.
Сварные соединения рассчитываются по виду шва и характеру напряженного состояния. Для стыковых соединений важна полнота провара и качество контроля. Угловые швы проверяют по расчетным сечениям металла шва и границы сплавления.
Расчетные параметры сварных соединений
| Тип соединения | Напряженное состояние | Расчетная характеристика |
|---|---|---|
| Стыковое с полным контролем качества | Растяжение, сжатие, изгиб | Rwy = Ry |
| Стыковое | По временному сопротивлению | Rwu = Ru |
| Стыковое без полного неразрушающего контроля | Растяжение и изгиб | Rwy = 0,85Ry |
| Стыковое | Сдвиг | Rws = Rs |
| Угловой шов | Срез по границе сплавления | Rwz = 0,45Run |
Болтовые соединения проверяют на срез, смятие и растяжение. Расстояния между отверстиями и до края детали назначаются так, чтобы исключить разрушение металла между крепежными элементами и обеспечить достаточную площадь нетто.
Высокопрочные болты применяются в соединениях, где усилие передается через трение контактных поверхностей. Несущая способность зависит от предварительного натяжения, коэффициента трения и качества подготовки соприкасающихся деталей.
Основные параметры конструкционных соединений:
- тип и размеры сварных швов;
- прочностные свойства сварочных материалов;
- диаметр и класс прочности болтов;
- схема расположения крепежа;
- расстояние между отверстиями;
- расстояние от отверстий до края;
- предварительное натяжение высокопрочных болтов;
- состояние контактных поверхностей;
- контроль качества сварки и затяжки.
Опорные узлы и базы колонн из стали
База колонны передает продольную силу, момент и поперечные воздействия на фундамент. В состав узла входят опорная плита, траверсы или ребра жесткости, анкерные болты и сварные соединения.
Площадь плиты определяется допустимым давлением на бетон. Толщина зависит от изгиба отдельных участков между колонной, ребрами и краями опоры. При наличии момента часть анкеров может работать на растяжение.
Геометрия базы должна обеспечивать передачу усилий без чрезмерных локальных деформаций. Отдельно проверяются сварные швы, анкеры и элементы усиления.
Применение при реконструкции и усилении опорных частей
Существующие металлоконструкции оценивают по фактическому состоянию. Геометрические размеры, остаточную толщину и дефекты определяют обследованием. Коррозионные потери уменьшают эффективную площадь и моменты инерции, поэтому их необходимо учитывать непосредственно в расчетной модели.
Механические свойства существующей стали определяют по исходным данным и результатам испытаний. Для старых сооружений особое внимание уделяется свариваемости, ударной вязкости, состоянию заклепочных и болтовых соединений.
Усиление выполняют только после определения остаточной несущей способности. Новые элементы должны включаться в работу совместно с существующим каркасом. При необходимости конструкцию предварительно разгружают.
Основные способы усиления при температуре +100/-60 °C:
- увеличение площади поперечного сечения;
- установка накладок;
- добавление ребер жесткости;
- уменьшение расчетной длины;
- устройство дополнительных связей;
- усиление сварных и болтовых узлов;
- установка дополнительных ветвей;
- изменение расчетной схемы.
Для вновь устанавливаемых деталей необходимо обеспечить надежную передачу усилий в существующую систему. При проектировании оценивают напряженное состояние до усиления и после включения дополнительных элементов.
Стальные конструкции по своду правил 16.13330.2017
Расчет металлической конструкции представляет собой последовательную оценку материала, поперечных сечений, общей и местной устойчивости, работы соединений и пространственной системы. Требуемая надежность достигается сочетанием рациональной схемы, корректного выбора стали, защиты от внешней среды, качественного изготовления и контролируемого монтажа.
ГК «МеталлЭнергоХолдинг» поставляет стальной прокат, металлоконструкции и комплектующие для промышленных и гражданских объектов. Подбор продукции выполняется по техническим параметрам и спецификации. Получить информацию можно по телефону +7 800 777 03 83 или направить заявку на severodoneck@sz-metall.ru.
