Расчёт нагрузок на металлоконструкции: снеговая, ветровая, крановая и другие

Крыша склада в Мурманске площадью 1 500 м² несёт на себе до 480 тонн снега — это V снеговой район, нормативная нагрузка 320 кг/м². Если проектировщик ошибся с районом и взял значение для III района (180 кг/м²), разница составит 210 тонн. Прогоны не выдержат, кровля деформируется, панели выдавятся внутрь. Сбор нагрузок — первый и самый ответственный этап расчёта. Ошибка здесь перечёркивает всю дальнейшую работу.

Классификация нагрузок по СП 20.13330.2016

СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» — основной нормативный документ по определению нагрузок на строительные конструкции. По характеру действия нагрузки делятся на 3 группы:

Группа	Характеристика	Примеры
Постоянные	Действуют в течение всего срока эксплуатации	Собственный вес конструкций, вес кровли, стен, полов
Временные длительные	Действуют значительную часть срока эксплуатации	Вес стационарного оборудования, вес складируемых материалов
Кратковременные	Действуют периодически	Снеговая, ветровая, крановая, нагрузка от людей
Особые	Возникают в исключительных ситуациях	Сейсмические, взрывные, от аварийных ударов

Каждая нагрузка имеет два значения: нормативное (реальное ожидаемое) и расчётное (нормативное × коэффициент надёжности). Расчётные значения используются для проверки прочности и устойчивости (I группа предельных состояний), нормативные — для проверки прогибов и перемещений (II группа).

Постоянные нагрузки

Постоянные нагрузки определяются по проектным данным и каталогам производителей:

Нагрузка от кровли

Элемент кровли	Нормативная нагрузка, кг/м²	γf	Расчётная, кг/м²
Сэндвич-панель кровельная 80 мм	12,0	1,2	14,4
Сэндвич-панель кровельная 100 мм	15,0	1,2	18,0
Сэндвич-панель кровельная 150 мм	19,0	1,2	22,8
Профнастил Н60-845-0,7	7,4	1,05	7,8
Утеплитель минвата 150 мм (ρ=100 кг/м³)	15,0	1,2	18,0
Гидроизоляция ПВХ-мембрана	1,5	1,2	1,8

Нагрузка от стеновых ограждений

• Стеновая сэндвич-панель 100 мм — 15–17 кг/м²
• Стеновая сэндвич-панель 150 мм — 19–22 кг/м²
• Профлист С21 с утеплителем — 12–25 кг/м² (в зависимости от толщины утеплителя)
• Стеновая нагрузка передаётся на колонны через прогоны или ригели фахверка

Собственный вес металлоконструкций

На этапе сбора нагрузок точная масса каркаса неизвестна — она определяется по результатам расчёта. Используется итерационный подход: задаётся ориентировочная масса, выполняется расчёт, определяется фактическая масса, при необходимости пересчёт. Ориентировочные значения собственного веса стального каркаса:

• Склад без крана, пролёт 18–24 м: 15–25 кг/м² площади здания
• Склад без крана, пролёт 30–36 м: 25–40 кг/м²
• Цех с краном до 10 т: 30–45 кг/м²
• Цех с краном 20–32 т: 45–70 кг/м²

Снеговая нагрузка: районы, формулы, примеры

Снеговая нагрузка — часто определяющая для кровельных конструкций. Определяется по СП 20.13330.2016, раздел 10.

Снеговые районы России

Снеговой район	Нормативная нагрузка Sg, кг/м²	Примеры городов
I	80	Астрахань, Калининград
II	120	Волгоград, Ростов-на-Дону, Краснодар
III	180	Москва, Брянск, Тула, Рязань, Нижний Новгород
IV	240	Казань, Самара, Пермь, Архангельск
V	320	Мурманск, Петропавловск-Камчатский
VI	400	Норильск, отдельные районы Сахалина
VII	480	Горные районы (Кавказ, Алтай)

Формула расчёта

Нормативное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия:

S = Sg × μ × Ct × Ce

• Sg — вес снегового покрова на 1 м² (по таблице районов)
• μ — коэффициент перехода от веса покрова к нагрузке на покрытие. Для двускатной кровли: μ = 1,0 при уклоне α ≤ 25°; μ = (60° – α) / (60° – 25°) при 25° < α < 60°; μ = 0 при α ≥ 60°
• Ct — термический коэффициент (1,0 для неотапливаемых зданий, 0,8 для зданий с повышенным тепловыделением через кровлю)
• Ce — коэффициент, учитывающий снос снега ветром (0,85–1,0 в зависимости от типа местности и средней скорости ветра)

Пример: снеговая нагрузка для склада в Брянске

Брянск — III снеговой район, Sg = 180 кг/м². Двускатное покрытие, уклон 10% (α ≈ 5,7°). Неотапливаемый склад, тип местности В (городская застройка).

• μ = 1,0 (уклон менее 25°)
• Ct = 1,0 (неотапливаемое здание)
• Ce = 1,0 (принимаем консервативно)
• S = 180 × 1,0 × 1,0 × 1,0 = 180 кг/м² (нормативная)
• Расчётная = 180 × 1,4 = 252 кг/м²

Для склада 24×60 м полная снеговая нагрузка на покрытие: 180 × 24 × 60 = 259 200 кг ≈ 259 тонн (нормативная). Эта нагрузка воспринимается фермами/балками покрытия, передаётся на колонны и далее на фундаменты.

Ветровая нагрузка: давление, отсос, пульсация

Ветровая нагрузка определяется по СП 20.13330.2016, раздел 11. Она сложнее снеговой, так как зависит от высоты, формы здания и типа местности.

Ветровые районы

Ветровой район	Нормативное давление w0, кг/м²	Примеры
Ia	17	Москва, Брянск, Смоленск
I	23	Тула, Рязань, Воронеж
II	30	Санкт-Петербург, Нижний Новгород
III	38	Ростов-на-Дону, Казань
IV	48	Краснодар, Мурманск
V	60	Новороссийск, Владивосток

Составляющие ветровой нагрузки

Полная ветровая нагрузка складывается из средней и пульсационной составляющих:

w = w0 × k(ze) × c × γf — средняя составляющая

• w0 — нормативное давление ветра (по таблице районов)
• k(ze) — коэффициент, учитывающий изменение давления по высоте. Зависит от типа местности (A — открытая, B — городская, C — городской центр) и высоты
• c — аэродинамический коэффициент. Наветренная стена: c = +0,8; подветренная: c = –0,5; кровля: c от –0,6 до –1,2 (отсос)
• γf = 1,4 — коэффициент надёжности

Аэродинамические коэффициенты определяются по Приложению В СП 20.13330 для конкретной формы здания. Для типового двускатного здания:

• Наветренная стена: +0,8 (давление)
• Подветренная стена: –0,5 (отсос)
• Кровля наветренная: –0,6 (отсос при малых уклонах)
• Кровля подветренная: –0,6
• Боковые стены: –0,7

Знак «–» означает отсос: ветер «тянет» конструкцию наружу. Именно поэтому кровельные панели крепятся не только на собственный вес, но и на отрыв — ветер может сорвать кровлю.

Крановая нагрузка

Для зданий с мостовыми кранами крановая нагрузка определяет сечения подкрановых балок, колонн и фундаментов. Нагрузки от крана:

Вертикальные нагрузки

Максимальное давление колеса крана Pmax определяется по паспорту крана. Типовые значения:

Грузоподъёмность, т	Пролёт крана, м	Pmax, тс	Масса крана, т
5	16,5	7,5	11,5
5	22,5	9,5	16,8
10	16,5	12,5	21,0
10	22,5	14,0	28,5
20	22,5	22,0	42,0
32	22,5	30,0	58,0

Горизонтальные нагрузки

• Поперечное торможение — 5% от суммы грузоподъёмности и массы тележки, приложено на уровне подкранового рельса.
• Продольное торможение — 10% от вертикальных нагрузок колёс одной стороны крана.

Подробнее о проектировании подкрановых конструкций — в статье о конструктивных схемах каркасных зданий.

Коэффициенты надёжности и сочетания нагрузок

В реальности все нагрузки одновременно с максимальными значениями не действуют. Для учёта этого вводятся коэффициенты сочетаний.

Коэффициенты надёжности по нагрузке (γf)

Нагрузка	γf
Собственный вес металлоконструкций	1,05
Вес ограждающих конструкций	1,2
Снеговая	1,4
Ветровая	1,4
Крановая вертикальная	1,1
Крановая горизонтальная	1,1
Полезная (на перекрытие)	1,2

Правила сочетаний

По СП 20.13330, п. 6:

1. Основное сочетание: постоянные + одна временная (с полным значением) + прочие временные × ψ (коэффициент сочетания = 0,7–0,9).
2. Особое сочетание: постоянные + временные × 0,8 + особая нагрузка (сейсмическая, аварийная).

Для склада без крана типовые сочетания: постоянная + снеговая (полная) + ветровая × 0,7; постоянная + ветровая (полная) + снеговая × 0,7. Конструктор проверяет оба варианта и принимает худший.

Пример сбора нагрузок для склада 24×60 м в Брянске

Исходные данные: Брянская область, III снеговой район, Ia ветровой район. Склад 24×60 м, высота до низа ферм 8 м, шаг рам 6 м, двускатное покрытие с уклоном 10%. Кровля — сэндвич-панели 100 мм. Без крана.

Сбор нагрузок на 1 м² покрытия

Нагрузка	Нормативная, кг/м²	γf	Расчётная, кг/м²
Сэндвич-панель кровельная 100 мм	15,0	1,2	18,0
Собственный вес прогонов	5,0	1,05	5,25
Собственный вес ферм и связей	8,0	1,05	8,4
Итого постоянная:	28,0		31,65
Снеговая (III район)	180,0	1,4	252,0
Итого (пост. + снег):	208,0		283,65

Нагрузка на одну раму (шаг 6 м)

Погонная нагрузка на ригель рамы (с грузовой полосы шириной 6 м):

• Нормативная: 208,0 × 6 = 1 248 кг/м = 12,48 кН/м
• Расчётная: 283,65 × 6 = 1 702 кг/м = 17,02 кН/м

Суммарная нагрузка на раму от покрытия (пролёт 24 м): 1 248 × 24 = 29 952 кг ≈ 30 тонн (нормативная). Эта нагрузка передаётся на 2 колонны — по 15 тонн на каждую (при симметричном загружении).

Полный расчёт конструкций по собранным нагрузкам выполняется в программах расчёта (SCAD, Лира, Robot). Мы выполняем расчёт металлоконструкций для любых объектов — от навесов до многопролётных промышленных корпусов.