Расчёт нагрузок на металлоконструкции — методика | СтилКонстракшн

Расчёт нагрузок на металлоконструкции — это первый и определяющий этап проектирования любого стального каркаса. Именно от того, насколько корректно собраны постоянные, снеговые, ветровые и крановые воздействия, зависит и безопасность здания, и его стоимость: завышенные нагрузки утяжеляют металл на 15–25 %, заниженные — приводят к деформациям и аварийным ситуациям. На этой странице мы разбираем, как рассчитать нагрузку на металлоконструкцию по действующему своду правил СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия»: какие виды нагрузок учитывают, по каким формулам их собирают, какие коэффициенты применяют и в какой последовательности выполняют расчёт.

Материал подготовили инженеры-проектировщики завода «СтилКонстракшн» (офис в Москве, производство в Брянской области). Мы ежегодно выпускаем более 6000 тонн металлоконструкций, и каждый проект проходит сбор нагрузок и поверочный расчёт перед запуском в производство. Ниже — рабочая методика, которой пользуется наш проектный отдел из 50+ инженеров, с таблицами и примерами для типовых зданий.

Какие нагрузки действуют на металлоконструкции

Прежде чем считать, нужно понять, что именно нагружает каркас. СП 20.13330.2016 делит все воздействия на три группы по продолжительности действия — постоянные, длительные и кратковременные, а также выделяет особые нагрузки. Для стального каркаса промышленного или складского здания практически всегда учитывают следующий набор.

Постоянные нагрузки

Это собственный вес несущих и ограждающих конструкций, который действует на протяжении всего срока службы здания. В постоянные нагрузки входят: вес стальных балок, колонн, ферм и связей; вес кровельного пирога (профлист, утеплитель, гидроизоляция, прогоны); вес стенового ограждения — сэндвич-панелей или профлиста по фахверку. Собственный вес металла на стадии сбора нагрузок принимают предварительно, а после подбора сечений уточняют — здесь помогает понимание того, как рассчитать массу металлоконструкций по сортаменту ГОСТ.

Кратковременные нагрузки

Снеговая нагрузка на покрытие, ветровое давление на стены и кровлю, нагрузка от мостовых и подвесных кранов, полезные нагрузки на перекрытия и площадки, технологические нагрузки от оборудования и трубопроводов. Это самая объёмная и ответственная часть сбора — именно здесь чаще всего допускают ошибки.

Особые нагрузки

Сейсмические воздействия, нагрузки от просадки грунтов, аварийные воздействия. Для большинства зданий в средней полосе России (включая Москву и Брянскую область) особые нагрузки в расчёт не входят, но в сейсмоопасных регионах они становятся определяющими.

Понимание того, какие нагрузки реально действуют на конкретное здание, начинается с конструктивной схемы. Подробнее о том, как выбрать рамную, связевую или комбинированную схему каркаса, мы рассказываем в материале о выборе схемы металлического каркаса здания — от схемы напрямую зависит, как нагрузки распределятся по элементам.

Снеговая нагрузка: как рассчитать по СП 20.13330

Снеговая нагрузка — основная вертикальная кратковременная нагрузка на покрытие в климатических условиях России. Полное расчётное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия определяется по формуле СП 20.13330.2016:

S = Sg × μ × ce × ct

• Sg — нормативное значение веса снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности земли. Зависит от снегового района: для Москвы и Московской области это III район (Sg = 1,5 кПа), для Брянской области — II район (Sg = 1,0 кПа);
• μ — коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие. Учитывает уклон кровли и геометрию: для плоских и пологих кровель μ = 1,0; при уклоне свыше 30° снег частично сходит и μ снижается, при 60° и более μ = 0;
• ce — коэффициент, учитывающий снос снега ветром с покрытий зданий. Для открытых площадок с продуваемыми высокими покрытиями ce может приниматься 0,85, в общем случае ce = 1,0;
• ct — термический коэффициент, для большинства неотапливаемых и стандартных зданий ct = 1,0.

Отдельно учитывают неравномерное распределение снега: снеговые мешки в ендовах, у перепадов высот, за парапетами и фонарями. В этих зонах локальная нагрузка может превышать равномерную в 2–4 раза, и именно она часто становится причиной локальных перегрузок прогонов и ферм. Подробный разбор с эпюрами и расчётными схемами для разных типов кровли мы привели в статье про снеговые и ветровые нагрузки на металлоконструкции.

Пример: для отапливаемого склада в Москве с двускатной кровлей уклоном 10 % расчётная снеговая нагрузка составит S = 1,5 × 1,0 × 1,0 × 1,0 = 1,5 кПа, а с учётом коэффициента надёжности γf = 1,4 расчётное значение для проверки прочности — 2,1 кПа. Это базовая цифра, на которую опираются при подборе сечения прогонов и ферм.

Ветровая нагрузка и крановые воздействия

Ветровая нагрузка

Ветровая нагрузка особенно важна для лёгких высоких зданий — ангаров, складов, навесов, где она может превышать снеговую. Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки определяется по формуле:

wm = w0 × k(ze) × c

• w0 — нормативное значение ветрового давления, зависит от ветрового района: для Москвы и Брянской области это I район (w0 = 0,23 кПа);
• k(ze) — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте; растёт с увеличением высоты здания и зависит от типа местности (A — открытая, B — городская застройка, C — плотная застройка);
• c — аэродинамический коэффициент, для наветренной стены принимается +0,8, для подветренной −0,5, для кровли — по геометрии здания.

Для зданий высотой более 10 м и сооружений с малой собственной частотой колебаний дополнительно учитывают пульсационную составляющую ветровой нагрузки. Для невысоких промышленных зданий обычно достаточно средней составляющей.

Крановые нагрузки

Если в здании предусмотрен мостовой или подвесной кран, его нагрузки становятся одними из определяющих для подкрановых балок, колонн и фундаментов. Учитывают: вертикальное давление колёс крана (зависит от грузоподъёмности и режима работы по группам режимов 1К–8К), горизонтальные тормозные нагрузки от перемещения тележки, поперечные силы. Крановые нагрузки рассчитывают с коэффициентами сочетаний и динамическими коэффициентами по СП 20.13330. Для зданий с кранами проектирование каркаса всегда выполняется индивидуально — типовых решений здесь нет.

Если на действующем объекте появляется новое оборудование или кран большей грузоподъёмности, исходные нагрузки изменяются и каркас требует проверочного расчёта. В таких случаях речь идёт об усилении металлоконструкций — мы выполняем поверочный расчёт и подбираем способ усиления элементов под новые нагрузки.

Сочетания нагрузок и коэффициенты надёжности

Главная сложность расчёта в том, что нагрузки действуют на конструкцию не по отдельности, а в комбинациях. Снег и ветер, постоянная нагрузка и кран, полезная нагрузка и температурные воздействия — всё это нужно собрать в расчётные сочетания и найти то, при котором элемент работает в самых тяжёлых условиях.

Виды сочетаний

• Основные сочетания — постоянные, длительные и кратковременные нагрузки. При двух и более кратковременных нагрузках вводят коэффициенты сочетаний ψ (например, 0,9 и 0,7), потому что одновременное действие максимумов всех нагрузок маловероятно;
• Особые сочетания — основные нагрузки плюс одна особая (сейсмика, аварийное воздействие);
• Сочетания для расчёта по деформациям — выполняются на нормативные (не расчётные) значения нагрузок, проверяется прогиб и горизонтальные перемещения.

Коэффициент надёжности по нагрузке γf

Каждую нормативную нагрузку умножают на коэффициент надёжности γf, чтобы учесть возможное превышение фактической нагрузки над расчётной. Для собственного веса металла γf = 1,05, для снеговой и ветровой — 1,4, для полезных нагрузок — 1,2–1,3. Произведение нормативного значения на γf даёт расчётное значение нагрузки, по которому проверяют прочность и устойчивость.

Расчёт ведут по двум группам предельных состояний. Первая группа — прочность и устойчивость: конструкция не должна разрушиться или потерять устойчивость при расчётных нагрузках. Вторая группа — пригодность к эксплуатации: прогибы балок, перемещения колонн и каркаса не должны превышать нормируемых значений (например, прогиб прогона — не более 1/200 пролёта). Корректный сбор сочетаний — это половина грамотного проекта, и именно на этом этапе закладывается оптимальный, не перетяжелённый расход металла. Дальнейшие шаги — конструктивный расчёт сечений и узлов — относятся уже к разделу проектирования металлоконструкций.

Порядок расчёта нагрузок: пошаговая методика

Чтобы рассчитать нагрузку на металлоконструкцию правильно, инженеры завода придерживаются единой последовательности. Ниже — рабочий алгоритм, который применяется к каркасу любого здания.

1. Определить геометрию и конструктивную схему. Пролёт, шаг рам, высота, уклон кровли, тип ограждения, наличие кранов и фонарей. Без этого нельзя собрать ни одну нагрузку.
2. Привязать здание к климатическим районам. По картам СП 20.13330 определить снеговой и ветровой район для площадки строительства, тип местности (A/B/C).
3. Собрать постоянные нагрузки. Подсчитать вес кровельного и стенового пирога по м², предварительно задать собственный вес каркаса.
4. Рассчитать снеговую нагрузку. По формуле S = Sg × μ × ce × ct, отдельно проверить снеговые мешки у перепадов и парапетов.
5. Рассчитать ветровую нагрузку. Средняя составляющая по высотным зонам, при высоте более 10 м — пульсационная составляющая.
6. Учесть крановые и технологические нагрузки при их наличии — по паспортам оборудования.
7. Собрать расчётные сочетания. Применить γf и коэффициенты сочетаний ψ, сформировать комбинации для первой и второй групп предельных состояний.
8. Передать нагрузки в расчётную модель. Каркас рассчитывают в программных комплексах (SCAD, ЛИРА, Robot), получают усилия в элементах.
9. Подобрать сечения и проверить. По полученным усилиям подбирают прокат, проверяют прочность, устойчивость и прогибы, при необходимости уточняют собственный вес и повторяют расчёт.

Для предварительной оценки на стадии «прикидки» удобно пользоваться онлайн-инструментами. Например, калькулятор металлической фермы по введённому пролёту, высоте и нагрузке покажет ориентировочные сечения поясов и решётки, а калькулятор веса металлоконструкций по ГОСТ поможет быстро собрать постоянную нагрузку от каркаса. Эти расчёты не заменяют полноценный проект, но дают понимание порядка цифр на старте.

Типовые ошибки при сборе нагрузок

За годы проектной практики наш отдел чаще всего сталкивается с одними и теми же ошибками в чужих расчётах нагрузок. Перечислим их, чтобы вы могли проверить свой проект.

• Игнорирование снеговых мешков. Равномерная снеговая нагрузка собрана верно, но локальные зоны у перепадов высот и парапетов не учтены — прогоны и фермы в этих местах перегружены.
• Неверный снеговой или ветровой район. Площадку привязывают «на глаз» или по соседнему региону. Разница между II и III снеговым районом — это 50 % нагрузки на кровлю.
• Заниженный собственный вес каркаса. На стадии сбора нагрузок вес металла приняли слишком оптимистично и не уточнили после подбора сечений.
• Пропуск пульсационной составляющей ветра для зданий выше 10 м и лёгких сооружений.
• Отсутствие проверки по второй группе предельных состояний. Прочность обеспечена, но прогибы и перемещения каркаса превышают норму — здание «гуляет», ограждение трескается.
• Неверные коэффициенты сочетаний. Все кратковременные нагрузки складывают без понижающих коэффициентов ψ, что необоснованно утяжеляет конструкцию.

Любая из этих ошибок приводит либо к перерасходу металла и денег, либо к риску для безопасности здания. Поэтому сбор нагрузок и поверочный расчёт мы всегда выполняем силами штатных инженеров-проектировщиков, а не передаём на аутсорс. Цена ошибки на этом этапе — самая высокая во всём проекте.

Расчёт нагрузок и проектирование на заводе «СтилКонстракшн»

Расчёт нагрузок не существует отдельно от проекта — это его обязательная часть. Завод «СтилКонстракшн» выполняет полный цикл: от сбора нагрузок и конструктивного расчёта каркаса до выпуска чертежей КМ и деталировки КМД, изготовления и монтажа металлоконструкций под ключ.

Что мы делаем на этапе расчёта

• Привязываем объект к климатическим районам и собираем все виды нагрузок по СП 20.13330.2016;
• Формируем расчётные сочетания и считаем каркас в сертифицированных программных комплексах;
• Подбираем оптимальные сечения проката — без перетяжеления, но с нормативным запасом;
• Проверяем конструкцию по обеим группам предельных состояний и оформляем пояснительную записку с расчётом;
• Выпускаем рабочую документацию КМ и деталировочные чертежи КМД для производства.

Наши ресурсы

Проектный отдел — более 50 инженеров. Производственная площадка в Брянской области площадью 5000 м² и мощностью 6000 тонн металлоконструкций в год. Сварка выполняется аттестованными по НАКС специалистами, конструкции защищаются ЛКМ по классам коррозионной стойкости С3–С5. Офис в Москве принимает заявки и ведёт договорную работу.

Стоимость и сроки

Расчёт нагрузок входит в стоимость проектирования и не оплачивается отдельно при заказе изготовления металлоконструкций. Цена изготовления — от 45 000 ₽/т с НДС при объёме партии от 5 т; для крупных серийных заказов от 50 т действуют сниженные расценки. Срок разработки раздела КМ с расчётом нагрузок для типового здания — от 5 рабочих дней при объёме каркаса до 50 т; крупные и нестандартные объекты считаются индивидуально. Подробная структура цены и состав работ — на странице расчёта металлоконструкций.

Чтобы получить расчёт нагрузок и стоимость каркаса для вашего объекта, оставьте заявку — пришлите габариты здания, район строительства и данные о нагрузках (краны, оборудование, тип кровли). Инженер соберёт нагрузки, выполнит предварительный расчёт и подготовит коммерческое предложение в течение 1–2 рабочих дней. Быстро прикинуть бюджет проекта можно через онлайн-калькулятор стоимости металлоконструкций — он даст ориентир до обращения к инженеру.

Частые вопросы