Расчет металлического косоура лестницы
Косоуром в лестнице называют наклонную металлическую балку, на которую опираются ступени.
Данный расчет касается металлических косоуров из прокатных швеллеров.
Внимание! В статье периодически слетает шрифт, после чего вместо знака угла наклона лестницы "альфа" отображается знак "?" Приношу извинения за неудобства.
Исходные данные.
Ширина лестничного марша 1,05 м (лестничные ступени сборные ЛС11, масса 1 ступени 105 кг). Количество косоуров – 2. Н = 1,65 м – половина высоты этажа; l1 = 3,7 м – длина косоура. Угол наклона косоура α = 27°, cosα = 0.892.
Сбор нагрузок.
Действующая нагрузка |
Нормативная нагрузка, кг/м2 |
Коэффициент надежности |
Расчетная нагрузка, кг/м2 |
Нагрузка от веса ступеней: 11шт.*105кг/(2*3,7м*1,05м) |
149 |
1,1 |
164 |
Временная нагрузка (от веса людей, переносимых грузов и т.п.) |
300 |
1,4 |
420 |
ИТОГО |
449 |
|
584 |
В итоге, действующая нормативная нагрузка на наклонный косоур равна q1н = 449 кг/м2, а расчетная q1р = 584 кг/м2.
Расчет (подбор сечения косоура).
Первое, что нужно сделать в данном расчете, это привести нагрузку на 1 кв. м площади марша к горизонтальной и найти горизонтальную проекцию косоура. Т.е. по сути при реальной длине косоура l1 и нагрузке на 1 кв.м марша q1, мы переводим эти значения в горизонтальную плоскость через cosα так, чтобы зависимость между q и l осталась в силе.
Для этого у нас есть две формулы:
1) нагрузка на 1 м2 горизонтальной проекции марша равна:
q = q1/cos2α;
2) горизонтальная проекция марша равна:
l = l1cosα.
Обратите внимание, что чем круче угол наклона косоура, тем меньше длина проекции марша, но тем больше нагрузка на 1 м2 этой горизонтальной проекции. Это как раз и сохраняет зависимость между q и l, к которой мы стремимся.
В доказательство рассмотрим два косоура одинаковой длины 3м с одинаковой нагрузкой 600 кг/м2, но первый расположен под углом 60 градусов, а второй – 30. Из рисунка видно, что для этих косоуров проекции нагрузки и длины косоура очень сильно отличаются друг от друга, но изгибающий момент получается для обоих случаев одинаковым.
Определим нормативное и расчетное значение q, а также l для нашего примера:
qн = qн1/cos2α = 449/0.8922 = 564 кг/м2 = 0,0564 кг/см2;
qр = qр1/cos2α = 584/0.8922 = 734 кг/м2 = 0,0734 кг/см2;
l = l1cosα = 3,7*0.892 = 3,3 м.
Для того, чтобы подобрать сечение косоура, необходимо определить его момент сопротивления W и момент инерции I.
Момент сопротивления находим по формуле W = qрal2/(2*8mR), где
qр = 0,0734 кг/см2;
a = 1,05 м = 105 см – ширина марша;
l = 3.3 м = 330 см – длина горизонтальной проекции косоура;
m = 0.9 – коэффициент условий работы косоура;
R = 2100 кг/см2 – расчетное сопротивление стали марки Ст3;
2 – количество косоуров в марше;
8 – часть небезызвестной формулы определения изгибающего момента (М = ql2/8).
Итак, W = 0,0734*105*3302/(2*8*0.9*2100) = 27,8 см3.
Момент инерции находим по формуле I = 150*5*aqн l3/(384*2Еcos?) , где
Е = 2100000 кг/см2 – модуль упругости стали;
150 – из условия максимального прогиба f = l/150;
a = 1,05 м = 105 см – ширина марша;
2 – количество косоуров в марше;
5/348 – безразмерный коэффициент.
Для тех, кто хочет разобраться подробнее в определении момента инерции, обратимся к Линовичу и выведем приведенную выше формулу (она несколько отличается от первоисточника, но результат вычислений будет одинаков).
Момент инерции можно определить из формулы допустимого относительного прогиба элемента. Прогиб косоура вычисляется по формуле: f = 5ql4/348EI, откуда I = 5ql4/348Ef.
В нашем случае:
q = аqн1/2 = аqнcos2?/2 – распределенная нагрузка на косоур от половины марша (в комментариях часто спрашивают, почему косоур считается на всю нагрузку от марша, а не на половину – так вот, двойка в этой формуле как раз и дает половину нагрузки);
l4 = l14 = (l/cos?)4 = l4/ cos?4;
f = l1/150 = l/150cos? – относительный прогиб (согласно ДСТУ «Прогибы и перемещения» для пролета 3 м).
Если подставить все в формулу, получим:
I = 150*cos?*5aqнcos2? l4/(348*2Еlcos4?) = 150*5*aqн l3/(348*2Еcos?).
У Линовича, по сути, то же самое, только все цифры в формуле приведены к «коэффициенту с, зависящему от прогиба». Но так как в современных нормах требования к прогибам жестче (нам нужно ограничиваться величиной 1/150 вместо 1/200), то для простоты понимания в формуле оставлены все цифры, без всяких сокращений.
Итак, I = 150*5*105*0,0564*3303/(384*2*2100000*0,892) = 110,9 см4.
Подбираем прокатный элемент из таблицы, приведенной ниже. Нам подходит швеллер №10.
Швеллер ГОСТ 8240 |
№10 |
№12 |
№14 |
№16 |
№18 |
Момент сопротивления W, см3 |
34,8 |
50,6 |
70,2 |
93,4 |
121 |
Момент инерции I, см4 |
174 |
304 |
491 |
747 |
1090 |
Данный расчет выполнен по рекомендациям книги Линович Л.Е. «Расчет и конструирование частей гражданских зданий» и предусматривает только подбор сечения металлического элемента. Для тех, кто хочет детальней разобраться с расчетом металлического косоура, а также с конструированием элементов лестницы, необходимо обратиться к следующим нормативным документам:
СНиП III-18-75 «Металлические конструкции»;
ДБН В.2.6-163:2010 «Стальные конструкции».
Помимо расчета косоура по приведенным выше формулам нужно еще делать расчет на зыбкость. Что это такое? Косоур может быть прочным и надежным, но при ходьбе по лестнице создается впечатление, что она вздрагивает при каждом шаге. Ощущение не из приятных, поэтому нормы предусматривают выполнение следующего условия: если нагрузить косоур сосредоточенной нагрузкой в 100 кг в середине пролета, он должен прогнуться не более, чем на 0,7 мм (см. ДСТУ Б.В.1.2-3:2006, таблица 1, п. 4).
В таблице ниже приведены результаты расчета на зыбкость для лестницы со ступенями 300х150(h), это самый удобный для человека размер ступеней, при разной высоте этажа, а значит и разной длине косоура. В итоге, даже если приведенный выше расчет даст меньшее сечение элемента, окончательно подобрать косоур нужно, сверившись с данными таблицы.
Длина проекции марша Lx, м |
Высота марша Н, м |
Длина косоура L, м |
Номер прокатного швеллера ГОСТ 8240-97, ДСТУ 3436-96 |
Номер гнутого швеллера ГОСТ 8278-83 |
Номер двутавра ГОСТ 8239-89 |
Размеры гнутой трубы квадратной ГОСТ 30245-94, ДСТУ Б.В.2-6-8-95 |
2,7 |
1,35 |
3,02 |
12 |
140х60х5 |
12 |
120х120х4 |
3 |
1,5 |
3,35 |
14 |
140х80х5 |
14 |
140х140х4 |
3,3 |
1,65 |
3,69 |
16 |
160х80х5 |
14 |
140х140х4 |
3,6 |
1,8 |
4,03 |
16 |
160х80х5 |
16 |
160х160х4 |
Для того, чтобы правильно законструировать лестницу, можно воспользоваться типовыми сериями:
1.450-1 «Лестницы из сборных железобетонных ступеней по стальным косоурам»;
1.450-3 «Стальные лестницы, площадки, стремянки и ограждения».
Как законструировать лестничный марш из сборных ступеней по металлическим косоурам, можно узнать из статьи "Cборная лестница по металлическим косоурам."
RSS лента комментариев этой записи