Коротко: в расчёте стального каркаса всё сводится к двум документам — СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» задаёт, что давит на конструкцию, а СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции» отвечает, выдержит ли сечение. Оба входят в перечень документов обязательного применения, утверждённый приказом Минстроя России № 32/пр (ранее действовавший приказ № 756/пр утратил силу). Ниже — 20 терминов, которые встречаются в любом задании на проектирование навеса, павильона или остановки: от снегового района до предельного прогиба.
Словарь построен так, чтобы каждое определение читалось отдельно — можно скопировать один абзац в переписку с подрядчиком и он не потеряет смысл.
Оглавление
- Снеговой район, Ветровой район, Снеговая нагрузка, Ветровая нагрузка, Коэффициент надёжности
- Прогон, Ферма, Фахверк, Связи, Распорка, Ригель, Стойка, Колонна
- Пролёт, Консоль, Узел опирания, База колонны, Анкерные болты
- Прогиб, Устойчивость
Климатические нагрузки и коэффициенты
Снеговой район
Снеговой район — зона на карте районирования территории России по весу снегового покрова, приведённой в СП 20.13330.2016. Всего выделено восемь районов (I–VIII); номер района определяет нормативное значение веса снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности земли — величину Sg, с которой начинается любой расчёт покрытия.
Москва, Московская и Брянская области относятся к III снеговому району, для которого Sg = 1,5 кПа (около 150 кгс/м²). Для сравнения: I район — 0,5 кПа, VIII район — 5,6 кПа, то есть разброс по стране больше чем в десять раз, и конструкция, спроектированная под Краснодар, в Норильске складывается.
Ветровой район
Ветровой район — зона районирования по нормативному значению ветрового давления w0 согласно СП 20.13330.2016. Районов восемь (Ia, I–VII), значение w0 изменяется от 0,17 кПа для района Ia до 0,85 кПа для VII района.
Москва и Брянск попадают в I ветровой район, w0 = 0,23 кПа. Для лёгких навесов и павильонов ветровая нагрузка часто оказывается критичнее снеговой: отрывающее давление на свес кровли вырывает анкеры раньше, чем снег продавит прогоны.
Снеговая нагрузка
Снеговая нагрузка — вертикальная нагрузка от снега на покрытие. По СП 20.13330.2016 нормативное значение вычисляется как S = 0,7 · ce · ct · µ · Sg, где ce учитывает снос снега ветром, ct — термический режим кровли, µ — коэффициент перехода от веса покрова на земле к нагрузке на покрытие в зависимости от уклона и формы кровли.
Ключевая ошибка практики — считать снег равномерным. При перепадах высот, парапетах и примыканиях образуются снеговые мешки, где µ доходит до 2,0 и выше; именно в этих зонах чаще всего рвутся прогоны. Подробный разбор — в материале снеговые и ветровые нагрузки на каркас.
Ветровая нагрузка
Ветровая нагрузка — давление и отсос воздушного потока на поверхности конструкции. По СП 20.13330.2016 основная средняя составляющая определяется как w = w0 · k(ze) · c, где k(ze) — коэффициент изменения давления по высоте с учётом типа местности (A — открытые побережья и степи, B — городская застройка, C — плотная застройка выше 25 м), c — аэродинамический коэффициент.
Для навесов и козырьков без стен нормируются раздельно коэффициенты для верхней и нижней поверхностей: поток, зашедший под кровлю, создаёт подъёмную силу. Поэтому расчёт навеса всегда включает проверку узлов на отрыв, а не только на сжатие.
Коэффициент надёжности
Коэффициент надёжности по нагрузке γf — множитель, переводящий нормативное значение нагрузки в расчётное и учитывающий возможное превышение фактической нагрузки над нормативной. По СП 20.13330.2016 для снеговой и ветровой нагрузок γf = 1,4, для собственного веса металлических конструкций — 1,05.
Отдельно существует коэффициент надёжности по материалу γm в СП 16.13330.2017 и коэффициент надёжности по ответственности γn, который берётся из ГОСТ 27751-2014 в зависимости от уровня ответственности сооружения. Перемножение всех трёх и даёт запас, отделяющий расчёт от обрушения.
Элементы каркаса
Прогон
Прогон — балка покрытия или стены, уложенная поперёк основных несущих конструкций (ферм, рам) и воспринимающая нагрузку от кровельного или стенового материала. Типовое сечение — швеллер, гнутый С- или Z-профиль, реже прокатная двутавровая балка по ГОСТ 8239-89 или ГОСТ 26020-83.
Шаг прогонов задаётся несущей способностью профнастила или сэндвич-панели и обычно составляет 1,0–3,0 м. Прогон работает в двух плоскостях — на изгиб от снега и на скатную составляющую, поэтому в скатных кровлях его раскрепляют тяжами.
Ферма
Ферма — решётчатая несущая конструкция из поясов и решётки (раскосов и стоек), в которой при узловой нагрузке элементы работают преимущественно на растяжение и сжатие, а не на изгиб. За счёт этого ферма при равной несущей способности легче сплошной балки в 1,5–2 раза, что критично на пролётах свыше 12 м.
Типы решётки — треугольная, раскосная, крестовая; уклон верхнего пояса задаётся кровельным материалом. Расчёт ведут по СП 16.13330.2017, сварные узлы из труб — с проверкой на продавливание стенки пояса. Виды ферм и их рабочие пролёты разобраны отдельно: металлические фермы — виды и пролёты.
Фахверк
Фахверк — вспомогательный каркас из стоек и ригелей, устанавливаемый в плоскости стен и торцов здания для крепления ограждающих конструкций и восприятия ветровой нагрузки с последующей передачей её на основной каркас и фундамент.
Фахверковые стойки не воспринимают нагрузку от кровли: их верх крепится к ригелю или ферме через скользящий узел, допускающий вертикальное перемещение. Если этот узел выполнить жёстко, стойка начнёт работать как колонна и получит незапроектированное сжатие от снега.
Связи
Связи — элементы, обеспечивающие геометрическую неизменяемость каркаса в плоскостях, где основные рамы не работают, и передающие горизонтальные нагрузки (ветер, торможение) на фундамент. Различают вертикальные связи по колоннам, горизонтальные связи по покрытию и связи по нижним поясам ферм.
Чаще всего выполняются крестовыми из уголков или круглых тяг; при крестовой схеме сжатый раскос из расчёта исключают и всю нагрузку передают на растянутый. Пропуск связевого блока — самая частая причина «пляшущего» каркаса при монтаже.
Распорка
Распорка — жёсткий стержень, соединяющий соседние рамы или узлы ферм и уменьшающий расчётную длину сжатого элемента из плоскости конструкции. По сути распорка не несёт внешнюю нагрузку, а работает как точка раскрепления.
Классический пример — распорки по нижним поясам ферм в зданиях с мостовыми кранами или при знакопеременных ветровых воздействиях: без них нижний пояс при отсосе ветра оказывается сжатым на всю длину пролёта и теряет устойчивость.
Ригель
Ригель — горизонтальный или наклонный несущий элемент рамы, опирающийся на стойки или колонны и работающий преимущественно на изгиб с продольной силой. В рамном каркасе ригель жёстко соединён с колонной, образуя единый диск, воспринимающий горизонтальные нагрузки без связей.
В навесах и павильонах ригель выполняют из прокатного двутавра или сварной балки переменного сечения — с уширением в опорной зоне, где момент максимален. Сталь ригелей нормируется ГОСТ 27772-2021 (марки С245, С255, С345).
Стойка
Стойка — вертикальный сжатый или сжато-изгибаемый элемент второстепенного назначения: стойка фахверка, стойка решётки фермы, стойка ограждения. В отличие от колонны стойка обычно не передаёт нагрузку от покрытия и рассчитывается на местное воздействие — ветер, навал толпы, вес заполнения.
Для стоек ограждений нормативные нагрузки и требования к конструкции задаёт ГОСТ 25772-2021 «Ограждения лестниц, балконов и крыш стальные».
Колонна
Колонна — основной вертикальный несущий элемент каркаса, передающий нагрузку от покрытия, перекрытий и стен на фундамент. Сечения — прокатный двутавр, сварной двутавр, замкнутый профиль по ГОСТ 30245-2012 или сквозное решётчатое сечение из двух ветвей.
Расчёт ведётся на устойчивость при центральном или внецентренном сжатии по СП 16.13330.2017. Общие технические требования к изготовлению стальных колонн и других конструкций содержит ГОСТ 23118-2019.
Геометрия, опирание и фундамент
Пролёт
Пролёт — расстояние между осями опор несущего элемента, ключевой параметр, от которого квадратично зависит изгибающий момент: при удвоении пролёта момент от равномерной нагрузки растёт вчетверо. Именно поэтому металлоёмкость каркаса растёт быстрее, чем перекрываемая площадь.
Практический ориентир: до 6 м экономична прокатная балка, 6–12 м — сварная балка или лёгкая ферма, свыше 12 м — только ферма или арка. Методика подсчёта металла по пролётам — в материале расчёт веса металлоконструкций.
Консоль
Консоль — участок элемента, выступающий за опору и защемлённый только с одной стороны. Момент в защемлении консоли от равномерной нагрузки равен ql²/2 — вчетверо больше, чем в середине однопролётной балки той же длины при той же нагрузке.
Консольные схемы массово применяются в односторонних навесах и остановочных павильонах, где нужен свободный проход без стоек по фронту. Плата за это — мощная база и анкеровка, работающая на вырыв. Готовые решения — в разделе навесы и павильоны.
Узел опирания
Узел опирания — конструктивное решение сопряжения элемента с опорой, определяющее, какие усилия передаются, а какие — нет. Шарнирный узел передаёт вертикальную и горизонтальную силы, но допускает поворот; жёсткий узел дополнительно передаёт изгибающий момент.
Расчётная схема должна соответствовать фактическому исполнению: если проектировщик заложил шарнир, а монтажники обварили узел по контуру, в элементе возникнут неучтённые моменты. Типы сварных и болтовых узлов разобраны в материале сварные и болтовые соединения металлоконструкций.
База колонны
База колонны — нижняя часть колонны, распределяющая сосредоточенное усилие от стержня на площадь фундамента и закрепляющая конструкцию анкерами. Состоит из опорной плиты, траверс или рёбер и анкерных плиток; толщина плиты определяется изгибом от отпора бетона и рассчитывается по СП 16.13330.2017.
Базы делят на шарнирные (два анкера по оси, плита без рёбер) и жёсткие (четыре и более анкеров, вынесенных за контур сечения, развитая плита с траверсами). Жёсткая база обязательна для консольных навесов и рамных каркасов без связей.
Анкерные болты
Анкерные (фундаментные) болты — закладные или устанавливаемые в готовый бетон стержни, воспринимающие растягивающие усилия и сдвиг в узле сопряжения колонны с фундаментом. Конструкция и размеры закладных болтов нормированы ГОСТ 24379.1-2012, технические требования — ГОСТ 24379.0-2012.
При выдёргивании расчёт ведётся не по прочности стали, а по конусу вырыва бетона, поэтому глубина заделки и краевые расстояния важнее диаметра. Анкеры входят в зону риска по коррозии: требования к защите даёт СП 28.13330.2017, обзор покрытий — в материале степени АКЗ и коррозионные категории.
Предельные состояния
Прогиб
Прогиб — вертикальное перемещение элемента под нагрузкой, относящееся ко второй группе предельных состояний: конструкция с избыточным прогибом не разрушается, но становится непригодной к нормальной эксплуатации. Предельные значения нормирует СП 20.13330.2016 и выражает в долях пролёта — от 1/150 для второстепенных элементов до 1/250 и жёстче для балок с ответственной отделкой.
Прогиб проверяют по нормативным (не расчётным) нагрузкам, без коэффициента γf. На пролётах свыше 12 м прогиб, а не прочность, обычно и определяет высоту сечения; в этом случае балку изготавливают со строительным подъёмом.
Устойчивость
Устойчивость — способность сжатого или изгибаемого элемента сохранять исходную форму равновесия. Потеря устойчивости происходит внезапно и при напряжениях ниже предела текучести, поэтому для сжатых стержней расчёт по устойчивости всегда жёстче расчёта по прочности. Методика — СП 16.13330.2017, через коэффициент продольного изгиба φ, зависящий от условной гибкости и типа сечения.
Гибкость λ = lef/i определяется расчётной длиной, а она задаётся связями и распорками. Тот же СП 16.13330.2017 ограничивает предельные гибкости сжатых и растянутых элементов, чтобы стержни не «играли» от собственного веса и монтажных воздействий.
Как этим пользоваться на практике
Порядок при заказе конструкции: сначала фиксируется адрес объекта — из него следуют снеговой и ветровой районы и тип местности. Затем задаётся пролёт и схема (рамная, консольная, со связями) — из неё следуют сечения. Последним считается фундамент и анкеровка, потому что для консольных схем именно узел «база — анкер — бетон» оказывается слабым звеном.
Завод Ростайп (производство в Брянске, офис в Москве) считает каркас по СП 20.13330.2016 и СП 16.13330.2017 под конкретный адрес и выдаёт комплект КМ с расчётом; типовые изделия для транспортной инфраструктуры — в разделе остановки общественного транспорта.
Отступление от обязательных требований технических регламентов в строительстве влечёт административную ответственность по статье 9.4 КоАП РФ; для юридических лиц штраф составляет от 100 000 до 300 000 рублей, а при повлёкших вред нарушениях — до 1 000 000 рублей или приостановление деятельности на срок до 90 суток.