К ВОПРОСУ О ТИПОВЫХ ОШИБКАХ В ПРОЕКТИРОВАНИИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ И ИХ ВЛИЯНИИ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННУЮ НАДЕЖНОСТЬ

Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 109 http://nauko-sfera.ru/ УДК 37.012.3 DOI 10.5281/zenodo.17366469 Научная статья К ВОПРОСУ О ТИПОВЫХ ОШИБКАХ В ПРОЕКТИРОВАНИИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ И ИХ ВЛИЯНИИ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННУЮ НАДЕЖНОСТЬ ON THE ISSUE OF TYPICAL ERRORS IN THE DESIGN OF METAL STRUCTURES AND THEIR IMPACT ON OPERATIONAL RELIABILITY ЖАРКОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ, Ульяновский государственный технический университет. КУКАНОВ НИКОЛАЙ ИВАНОВИЧ, кандидат физико-математических наук, доцент, Ульяновский государственный технический университет. ШИНГАРОВА АЛЕНА ИГОРЕВНА, старший преподаватель, Ульяновский государственный технический университет. ZHARKOV DMITRIY VLADIMIROVICH, Ulyanovsk State Technical University. KUKANOV NIKOLAY IVANOVICH, Candidate of Physico-mathematical Sciences, Associate Professor, Ulyanovsk State Technical University. SHINGAROVA ALENA IGOREVNA, Senior lecturer, Ulyanovsk State Technical University. Статья посвящена проблеме обеспечения надежности и безопасности строительных металлоконструкций через анализ наиболее распространенных ошибок на этапе их проектного расчета. Рассматриваются ключевые факторы, приводящие к недопустимым деформациям, перегрузкам и, как следствие, к снижению несущей способности и долговечности конструкций. В фокусе исследования находятся ошибки, связанные с некорректным выбором расчетных схем, недооценкой влияния собственного веса и монтажных нагрузок, неучетом реальной работы узловых соединений, а также пренебрежением требованиями современных нормативных документов. На основе системного анализа типичных просчетов предложены методические рекомендации и комплекс практических мер, направленных на их предотвращение. Особое внимание уделяется необходимости учета пространственной работы системы, применения специализированного программного обеспечения и проведения обязательной верификации результатов ручным счетом. Реализация предложенных подходов позволяет существенно повысить точность расчетов, минимизировать риски аварийных ситуаций и оптимизировать материалоемкость проектируемых конструкций. The article addresses the problem of ensuring the reliability and safety of building metal structures by analyzing the most common errors at the stage of their design calculation. It examines the key factors leading to inadmissible deformations, overloads, and, as a consequence, a reduction in the load-bearing capacity and durability of structures. The research focuses on errors related to the incorrect selection of design mod- Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 110 http://nauko-sfera.ru/ els, underestimation of the influence of self-weight and erection loads, failure to account for the actual behavior of nodal connections, and neglect of the requirements of modern regulatory documents. Based on a systematic analysis of typical miscalculations, methodological recommendations and a set of practical measures aimed at their prevention are proposed. Particular attention is paid to the necessity of considering the spatial behavior of the system, using specialized software, and conducting mandatory verification of results by manual calculations. The implementation of the proposed approaches makes it possible to significantly improve the accuracy of calculations, minimize the risks of emergencies, and optimize the material intensity of the designed structures. Ключевые слова: металлоконструкции, расчет на прочность, деформации, перегрузки, ошибки проектирования, расчетная схема, узловые соединения, нормативная база, надежность, программный комплекс. Key words: metal structures, strength calculation, deformations, overloads, design errors, design model, nodal connections, regulatory framework, reliability, software package. ктуальность исследования. Современное строительство характеризуется активным применением стальных конструкций в уникальных объектах: большепролетных зданиях, высотных сооружениях, мостах и промышленных комплексах. Повышение сложности архитектурных форм и стремление к оптимизации материалоемкости делают вопросы точности и достоверности расчетов на прочность и устойчивость как никогда актуальными [1, с. 45]. Несмотря на развитие мощных вычислительных комплексов, количество ошибок, допускаемых на стадии проектирования, остается значительным. Их следствием являются не только экономические потери, связанные с перерасходом стали или усилением конструкций на стадии возведения, но и серьезные угрозы безопасности, вплоть до обрушений. Анализ аварий и инцидентов показывает, что их первопричина часто кроется не в низком качестве изготовления или монтажа, а в фундаментальных просчетах, заложенных в проекте. Особую опасность представляют ошибки, приводящие к прогрессирующим деформациям и скрытым перегрузкам элементов, которые могут проявиться лишь в процессе длительной эксплуатации или при воздействии непредвиденных нагрузок. В этой связи систематизация типовых ошибок, их всесторонний анализ и разработка превентивных методик являются важнейшей научно-практической задачей, направленной на повышение надежности и долговечности стальных конструкций. Проблематика ошибок в расчетах строительных конструкций является центральной темой в трудах многочисленных отечественных и зарубежных ученых, что подчеркивает ее непреходящую актуальность для обеспечения безопасности и надежности зданий и сооружений. В рамках отечественной научной школы фундаментальный вклад в развитие методологии расчета и проектирования металлических конструкций внесли такие исследователи, как Г. М. Бальдин [2] и А. П. Васильев [3]. Их работы закладывают основу для корректного инженерного подхода, делая особый акцент на неукоснительном соблюдении требований актуальных нормативных документов, в частности, СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции» [11]. В этих трудах систематически подчеркивается, что залогом успешного проектирования является скрупулезный учет всего спектра нагрузок и воздействий — от постоянных и временных до особых, таких как сейсмические или температурные. Однако, как показывают дальнейшие исследования, даже строгое следование нормам не гарантирует полного исключения погрешностей, особенно на уровне концептуального моделирования поведения конструкции. Одним из наиболее сложных и критически важных аспектов является адекватное моделирование работы узловых соединений, которое детально исследуется в работах В.В. МиА Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 111 http://nauko-sfera.ru/ хайлова и его коллег [7]. Ученые справедливо указывают на распространенную, но опасную идеализацию, при которой узлы автоматически принимаются либо абсолютно жесткими, либо идеальными шарнирами. В реальности же поведение большинства соединений является полужестким, что приводит к перераспределению усилий в элементах каркаса, не учитываемому в упрощенных моделях. Это рассогласование между расчетной схемой и фактической работой узла является источником значительных, а подчас и катастрофических погрешностей, влияющих на общую прочность и устойчивость системы. Значительный пласт проблем связан с переходом на нелинейные расчетные модели. Зарубежные исследователи, такие как В.Ф. Чэнь и Э.М. Луи [12], в своих трудах по теории устойчивости и пластичности акцентируют внимание на необходимости учета физической (неупругое поведение материала) и геометрической (большие перемещения) нелинейности. Это особенно критично для современных проектов, широко использующих тонкостенные и гибкие элементы, работа которых в упругой стадии не отражает их реальной несущей способности. Они убедительно доказывают, что линейный расчет, проведенный в отрыве от анализа общей устойчивости системы, может создать у проектировщика ложное ощущение надежности и существенно завысить оценку реального запаса прочности конструкции, маскируя потенциальные формы потери устойчивости. Несмотря на существование обширной и глубокой научной базы, охватывающей как нормативные, так и теоретические аспекты, в современной литературе наблюдается выраженный дефицит работ, которые бы комплексно систематизировали именно типовые, повторяющиеся ошибки. Эта проблема особенно обострилась в связи с массовым переходом на современное программное обеспечение (ПО). Мощные вычислительные комплексы, с одной стороны, позволяют решать сложнейшие задачи, но с другой — создают иллюзию безошибочности, поскольку ключевые физические предпосылки и допущения часто остаются «за кадром» автоматизированных вычислений. Проектировщик, доверяя «черному ящику» программы, может не заметить концептуальных ошибок на этапе формирования модели. Проблема данного исследования заключается в устойчивом воспроизводстве методологических ошибок при проектировании металлоконструкций, которые не устраняются с развитием вычислительных систем, а, напротив, маскируются ими. Парадокс заключается в том, что эти ошибки сохраняются и тиражируются, несмотря на очевидный прогресс в вычислительных методах. Их корень лежит не в недостатке вычислительных ресурсов, а в неадекватности расчетной схемы реальной работе конструкции, некритическом использовании ПО и недостаточном внимании к проверке предельных состояний [8]. Это приводит к опасному рассогласованию между расчетной моделью и реальным поведением конструкции, что проявляется в неучтенных перегрузках, чрезмерных деформациях и риске потери устойчивости. Основными проявлениями данной проблемы являются несоответствие между расчетными допущениями и реальными условиями работы конструкции, в первую очередь касающееся граничных условий и характера узловых соединений. Не менее значимой проблемой выступает некорректный учет всей совокупности нагрузок, когда в расчетах игнорируются монтажные, температурные и динамические воздействия, существенно влияющие на напряженно-деформированное состояние. Серьезную озабоченность вызывают ошибки, порождаемые некритическим использованием результатов автоматизированного расчета без их содержательного анализа, а также недостаточная проверка конструкций на вторую группу предельных состояний, что напрямую ухудшает их эксплуатационные качества. Таким образом, целью настоящего исследования является системное выявление, всесторонняя классификация и глубокий анализ наиболее распространенных ошибок при расчете металлоконструкций, приводящих к перегрузкам и чрезмерным деформациям, с последующей разработкой научно-обоснованных рекомендаций по их устранению и профилактике. Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 112 http://nauko-sfera.ru/ Для достижения поставленной цели в работе был использован комплекс взаимодополняющих методов исследования. Фундаментом послужил аналитический обзор и критический анализ нормативно-технической документации и научной литературы, что позволило сформировать теоретическую базу и идентифицировать нормативно запрещенные приемы расчета. Ключевым элементом методологии выступил сравнительный численный эксперимент, в рамках которого проводилось сопоставление результатов расчета одной и той же конструкции в различных программных комплексах с варьированием ключевых параметров расчетной схемы, что дало возможность оценить чувствительность модели к исходным допущениям. Дополнительную практическую ценность имел структурно-логический анализ проектной документации и материалов обследований реальных объектов, на основе которого были выявлены повторяющиеся паттерны ошибок. Для углубленного изучения работы отдельных элементов и узлов в условиях, часто идеализируемых на практике, был применен метод математического моделирования. В совокупности данная методология позволяет не только констатировать факт ошибки, но и количественно оценить ее влияние на напряженнодеформированное состояние конструкции, что закладывает основу для разработки эффективных корректирующих мер. В результате проведенного исследования была разработана комплексная классификация типовых ошибок, которые можно разделить на четыре основные группы. Первую группу составляют ошибки, связанные с формированием расчетной схемы. Сюда относится идеализация опорных закреплений, например, моделирование шарнирной опоры вместо реально существующей упругой податливости фундамента, что приводит к занижению изгибающих моментов в ригелях рамы и неверной оценке перемещений. Сюда же примыкает некорректное задание жесткости узлов, когда моделирование всех узлов фермы как шарнирных игнорирует реальную жесткость от фасонок и сварных швов, или, напротив, приписывание абсолютной жесткости болтовым соединениям. Завершает эту группу пренебрежение пространственной работой системы, когда расчет плоских рам без учета связей и диска покрытия приводит к занижению общей устойчивости [9, с. 4]. Вторую обширную группу образуют ошибки при сборе нагрузок и назначении их сочетаний. Наиболее распространенными из них являются недоучет собственного веса конструкций, особенно при работе с библиотеками элементов в программном обеспечении, где возможен двойной счет или его полное отсутствие. Существенные риски несет игнорирование монтажных нагрузок, таких как сосредоточенные усилия от оборудования или складирование материалов на перекрытии. Отдельной проблемой является некорректное составление сочетаний нагрузок, при котором не учитываются наиболее неблагоприятные комбинации временных, снеговых и ветровых воздействий [6]. Третья группа ошибок напрямую порождается некритическим использованием возможностей современного программного обеспечения. Это проявляется в «слепой вере» в результаты расчета, когда проектировщик принимает цветовые эпюры как догму, не анализируя физическую реализуемость полученных усилий и деформаций [5]. Другой типичный пример – неправильная конечно-элементная дискретизация, когда применение слишком крупной сетки для тонкостенных сечений маскирует локальные напряжения и проблемы устойчивости. Усугубляет ситуацию использование устаревших или неадекватных моделей материалов, не учитывающих, к примеру, развитие пластических деформаций. Четвертая группа объединяет ошибки, допускаемые на завершающей стадии проектирования – при проверке сечений и деформаций. Наиболее опасной из них является проверка прочности без адекватной проверки общей и местной устойчивости, что для элементов с гибкими стенками может привести к внезапному разрушению. Часто встречается неучет ослаблений сечений отверстиями для коммуникаций, которые способны резко снизить несущую способность балки. Наконец, формальная проверка деформаций, выполняемая только Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 113 http://nauko-sfera.ru/ для постоянных нагрузок, приводит к появлению эксплуатационных прогибов, превышающих эстетически и психологически допустимые пределы [9, с. 5]. Проведенное исследование наглядно демонстрирует, что большая часть типовых ошибок носит не вычислительный, а фундаментально методологический характер. Они проистекают из недостаточного понимания физической сущности работы металлоконструкции как целостной системы, стремления к излишней идеализации и необоснованного перекладывания ответственности на автоматизированные вычислительные комплексы. На основании проведенного анализа представляется возможным сформулировать ряд ключевых выводов и практических рекомендаций. Во-первых, обязательной процедурой должна стать верификация результатов, полученных с помощью ПО, посредством упрощенных методов ручного счета; расхождение более чем на 10–15 % служит прямым сигналом к поиску ошибки в модели [4]. Во-вторых, необходима оценка чувствительности расчетной схемы через параметрический анализ, варьирующий ключевые допущения, что позволяет оценить «запас прочности» конструкции. В-третьих, требуется комплексный и скрупулезный сбор нагрузок с учетом всех этапов жизненного цикла объекта. В-четвертых, для сжатых и изгибаемых элементов проверка устойчивости должна иметь безусловный приоритет над проверкой прочности. Наконец, необходимым элементом культуры проектирования является визуальный и логический контроль полученных результатов, когда эпюры усилий и деформаций анализируются на предмет соответствия ожидаемому физическому поведению системы. Таким образом, основным инструментом предотвращения ошибок является не столько мощное ПО, сколько высокая квалификация инженера, его критическое мышление и глубокое понимание теоретических основ строительной механики и металлоконструкций. Внедрение в проектную практику обязательного протокола верификации и анализа чувствительности расчетных моделей позволит существенно повысить надежность и безопасность проектируемых металлических конструкций. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Беляева З.В. Расчет и проектирование элементов металлических конструкций / З.В. Беляева, С.В. Кудрявцев; Мин-во науки и высшего образования РФ; Урал. федерал. ун-т им. первого Президента России Б.Н. Ельцина. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2019. 136 с. 2. Бальдин Г. М., Таничева Н. В. Усиление строительных конструкций при реконструкции и капитальном ремонте зданий / М.: Изд. АСВ. 2008. 112 с. 3. Васильев А.П. Анализ причин аварий строительных конструкций. М.: АСВ, 2018. 234 с. 4. Жижин В. Системы телеметрии по металлоконструкциям: перспективы промышленного применения // Беспроводные технологии. 2023. № 1 (65). С. 46–51. 5. Ивличева Е.А. Устранение дефектов в сварных швах металлоконструкций // Наука через призму времени. 2021. № 12 (57). С. 27–28. 6. Колосов Р.А. Анализ вопросов применения и изготовления металлоконструкций // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. № 11. С. 350–352. 7. Михайлов В.В. Пространственные стержневые конструкции покрытий (Структуры). 2011. 56 с. 8. Москалев Н.С., Пронозин Я.А. Металлические конструкции. М: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2010. 344 с. 9. Розинов А. Я. Оценка порогов чувствительности методов выявления сквозных дефектов металлоконструкций // Методы контроля и диагностики в машиностроении. 2019. № 4. С. 45–51. Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 114 http://nauko-sfera.ru/ 10. СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85. М.: Минстрой России, 2016. 116 с. 11. СП 16.13330.2017 Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81. М.: Минрегион России, 2017. 174 с. 12. Чэнь В. Ф., Луи Э. М. Справочник по проектированию конструкций. Второе издание, 2005. 1738 с. Поступила в редакцию: 09.10.2025 © Жарков Д. В., Куканов Н. И., Шингарова А. И., 2025. Принята в печать: 17.11.2025