Расчет деревянного перекрытия в скаде

Обновлено: 09.05.2024

2 УДК Авторский коллектив Криксунов Э.З., Перельмутер М.А., Скорук Л.Н., Фурсов В.В. ДЕКОР. Расчет элементов деревянных конструкций. РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ. Версия 1.1. В руководстве приводятся описание функциональных возможностей программы ДЕКОР, технологии ее использования и рекомендации по применению. Программа предназначена для специалистов-проектировщиков, обладающих минимальными навыками работы с компьютером. SCAD Soft, 2006

3 Содержание Содержание 1. Введение Оценка конструктивного решения Главное окно Меню Настройки Работа с таблицами Информационные режимы Предельные прогибы и деформации Плотности Сортамент древесины Расчетные сопротивления Древесина Предельные гибкости Расчет Общие операции Конструирование поперечных сечений Характеристики древесины Коэффициенты условий работы Формирование отчета Геометрические характеристики Расчетные длины Сопротивление соединений Сопротивление сечений Ограничения реализации Неразрезные прогоны Расчет Ограничения реализации Консольно-балочные прогоны Ограничения реализации Балки Ограничения реализации Стойки Ограничения реализации Фермы Элемент фермы ПРИЛОЖЕНИЕ Калькулятор для расчета по формулам Калькулятор для преобразования единиц измерения

4 Введение 1. Введение Программа ДЕКОР предназначена для выполнения расчетов и проверок элементов и соединений деревянных конструкций на соответствие требованиям СНиП II Деревянные конструкции. Кроме того, в программе предусмотрена возможность получения справочных данных, часто используемых при проектировании деревянных конструкций. Реализованные в программе принципы управления, подготовки данных и документирования результатов расчета полностью совпадают с аналогичными режимами проектно-аналитических программ, входящих в состав системы SCAD Office. Программы используют известную технику работы с многостраничными окнами. Активизация страницы происходит при нажатии на ее закладку, также есть возможность использовать меню. 1.1 Оценка конструктивного решения Любой набор нормативных требований может быть представлен в форме списка неравенств вида F j (S,R) 1, (j = 1,, n), где F j функция основных переменных, реализующая j-ю проверку; S обобщенные нагрузки (нагрузочные эффекты); R обобщенные сопротивления. Ориентируясь на значения функций F j, можно ввести понятие коэффициента использования ограничения (К), и критерий проверки представить в виде max j K j 1, включающем все необходимые проверки. Само значение К j при этом определяет для элемента (узла, соединения, сечения и т.п.) имеющийся запас прочности, устойчивости или другого нормируемого параметра качества. Если требование норм выполняется с запасом, то коэффициент К j равен относительной величине исчерпания нормативного требования (например, К j = 0,7 соответствует 30%-му запасу). При невыполнении требований норм значение К j > 1 свидетельствует о нарушении того или иного требования, т.е. характеризует степень перегрузки. Таким образом, К j есть левая часть расчетного неравенства, представленного в приведенной выше форме (рис. 1). Рис. 1. Геометрическая иллюстрация области проверок в случае двух переменных Все полученные в результате проверок значения коэффициентов К j доступны для анализа в диалоговом окне Диаграмма факторов (рис. 2) или же в полном отчете о проведенной проверке. В рабочих диалоговых окнах выводится значение K max максимального (т.е. наиболее опасного) из обнаруженных значений К j и указывается тип проверки (например, прочность, устойчивость), при которой этот максимум реализовался. 4

5 Введение Рис. 2. Пример Диаграммы факторов Данные, приведенные в диаграмме факторов, позволяют проектировщику принять правильное решение о типе необходимой модификации конструкции. Например, вряд ли имеет смысл увеличение расчетного сопротивления, если критической оказалась проверка устойчивости. 1.2 Главное окно При обращении к программе первым на экране появляется главное окно с картой входов в режимы программы (рис. 3), с кнопками выбора норм проектирования, настройки программы. Рис. 3. Главное окно Нормы проектирования выбираются из одноименного списка. Информация об установленных нормах выводится в нижнем левом углу окна активного режима. В первой версии программы реализован только расчет по СНиП II Режимы вызываются нажатием специальной кнопки и могут быть отнесены к справочным (группа Информация) или расчетным (группа Расчет). Справочные режимы представлены следующим набором: 5

6 Введение Предельные прогибы и деформации просмотр предельных значений прогибов элементов деревянных конструкций и предельных значений деформаций соединений, приведенных в таблицах 15, 16 СНиП II-25-80; Плотности представлена информация о плотности древесины, приведенная в приложении 3 СНиП II-25-80; Сортамент древесины представлена информация о размерах пиломатериалов хвойных пород согласно ГОСТ ; Расчетные сопротивления для выбранного пользователем вида напряженно-деформированного состояния вычисляется расчетное сопротивление; Древесина приводятся данные о максимально допустимой влажности древесины а также типах и марках клеев; Предельные гибкости приводится информация о предельных гибкостях элементов конструкций. В разделе Расчет выполняются следующие операции: Геометрические характеристики вычисления геометрических характеристик поперечного сечения; Расчетные длины реализованы рекомендации п СНиП II по определению расчетных длин; Сопротивление соединений для соединений на врубках и соединений на цилиндрических нагелях определяются коэффициенты использования ограничений; Сопротивление сечений определяются коэффициенты использования ограничений для любого из предусмотренных программой типов поперечных сечений при действии произвольных усилий,. кроме того, строятся кривые взаимодействия для любых допустимых комбинаций пар усилий; Неразрезные прогоны проверка конструкции неразрезных прогонов по предельным состояниям первой и второй групп; Консольно-балочные прогоны проверка конструкции консольно-балочных прогонов под действием равномерно распределенных нагрузок по предельным состояниям первой и второй групп; Балки проверка конструкции однопролетных балок с различными условиями опирания по предельным состояниям первой и второй групп; Стойки в этом режиме выполняется проверка конструкции стоек и колонн; Элемент фермы в этом режиме выполняется проверка конструкции отдельного элемента фермы; Фермы в этом режиме для конструктивных схем, наиболее часто используемых на практике, реализуются все необходимые проверки элементов ферм на прочность и устойчивость. При этом работа начинается с определения расчетных значений усилий от задаваемых вертикальных внешних нагрузок. При обращении к любому из указанных режимов появляется многостраничное диалоговое окно, в котором выполняются операции ввода данных и анализа результатов. 1.3 Меню Настройка программы, вызов необходимого режима работы а также сервисных операций могут быть выполнены через меню. Меню включает пять разделов: Файл, Режимы, Настройки, Сервис, Справка. В разделе Файл выполняются: Меню переход из любого режима работы программы в главное окно; Выход завершение работы программы. Из раздела Режимы можно вызвать любой из реализованных в программе справочных или расчетных режимов (дублируются одноименные кнопки главного окна). Из раздела Настройки вызывается диалоговое окно Настройки приложения, в котором выполняется назначение параметров управления программой (дублируется одноименная кнопка главного окна). В разделе Сервис предусмотрен вызов стандартного калькулятора среды Windows, формульный калькулятор и калькулятор для преобразования единиц измерений. Раздела Справка содержит справочную информацию по управлению программой ДЕКОР, правила пользования справочной средой системы Windows, а также сведения о программе (номер версии и дата последней модификации). Описание сервисных и справочных операций приводится в приложении. 1.4 Настройки Окно Настройки приложения (рис. 4) вызывается из меню Настройки или одноименной кнопкой, расположенной внизу Главного окна, и содержит три страницы Единицы измерения, Отчет и языки, Визуализация. 6

9 Введение Рис. 7. Пример таблицы с усилиями 9

10 Информационные режимы 2. Информационные режимы Информационные режимы включают данные, приведенные в СНиП. Все значения в таблицах приведены в тех же единицах измерения, что и в СНиП, и не зависят от единиц настройки программы. 2.1 Предельные прогибы и деформации В этом режиме (рис. 8) приводятся данные о предельных значениях прогибов элементов деревянных конструкций и предельных значениях деформаций соединений, приведенных в таблицах 15, 16 СНиП II Рис. 8. Диалоговые окна режима Предельные прогибы и деформации 2.2 Плотности Информация в этом режиме (рис. 9) включает данные о плотности древесины, приведенные в приложении 3 СНиП II Рис. 9. Диалоговое окно Плотности 2.3 Сортамент древесины В данном режиме представлена информация о размерах обрезных и необрезных пиломатериалов хвойных пород согласно ГОСТ [2] (рис. 10). Кроме того, на странице Пиломатериалы для КДК (рис. 11) имеется возможность задать размеры пиломатериалов до острожки и получить размеры после острожки согласно ГОСТ * [3]. 10

12 Информационные режимы 2.6 Предельные гибкости Рис. 13. Диалоговое окно Древесина Рис. 14. Диалоговое окно Предельные гибкости Предельная гибкость определяется для различного вида элементов конструкций на основе данных таблицы 14 СНиП II Диалоговое окно (рис. 14) включает две группы маркеров, определяющих вид элементов (в отдельную группу выделены элементы опор воздушных линий электропередач); группу маркеров выбора плоскости сечения; маркеры для задания формы сечения (прямоугольное, двутавровое или коробчатое). Если активен маркер Сжатый элемент переменного сечения, то необходимо с помощью кнопок назначить условия опирания. Значение предельной гибкости появляется в одноименном поле после нажатия кнопки Вычислить (соответствует таблице 1 СНиП и таблице 1 приложения 4 СНиП II-25-80). 12

13 3. Расчет 3.1 Общие операции Большинство расчетных режимов включает ряд общих элементов управления. К ним относятся группы элементов управления, используемых при задании поперечных сечений, характеристик древисины, коэффициентов условий работы и т.п. Ниже приведено описание таких групп Конструирование поперечных сечений В программе Декор предусмотрен анализ элементов деревянных конструкций с сечениями одного из трех типов прямоугольного, двутаврового и круглого. Выбор нужной формы сечения и задание его размеров выполняется в группе Сечение (рис. 15). Рис. 15. Типы поперечных сечений С помощью кнопки осуществляется доступ к пользовательской базе поперечных сечений. Эта база создается в процессе работы с программой. Для записи в базу созданного сечения используется кнопка, нажатием которой вызывается диалоговое окно Пользовательские сечения. В этом окне задается имя сохраняемого сечения (рис. 16). Рис. 16. Диалоговое окно Пользовательские сечения Поскольку программа не контролирует уникальность применяемых имен, то за этим должен следить пользователь. Геометрию заданного сечения можно проверить, воспользовавшись кнопкой Предварительный просмотр, нажатием которой вызывается одноименное диалоговое окно с эскизом сечения (рис. 17). При обращении к базе сечений появляется диалоговое окно (рис. 18), включающее список всех сохраняемых в базе сечений. Сечения можно удалить из базы или переименовать (кнопки Удалить и Переименовать), просмотреть (Предварительный просмотр ) или загрузить в программу для последующего использования. В последнем случае следует отметить строку с наименованием интересующего сечения и нажать кнопку Применить. Рис. 17. Диалоговое окно Предварительный просмотр Рис. 18. Диалоговое окно с перечнем имеющихся в базе пользовательских сечений 13

14 Расположенная в группе Сечение кнопка Геометрические характеристики активизирует окно Свойства сечения (рис. 19), в котором находятся геометрические характеристики сечения (площадь, моменты инерции. ) и эскиз сечения с его размерами и обозначением осей. Рис. 19. Диалоговое окно Свойства сечения Характеристики древесины Рис. 20. Группа элементов управления, используемая для задания характеристик древесины Характеристики древесины требуются во всех расчетных режимах. Для задания этой информации, как правило, используется стандартная группа элементов управления (рис. 20). Такие характеристики, как порода древесины (сосна, пихта, дуб. ), сорт древесины и плотность выбираются из списков. Последний из указанных параметров необходим лишь в тех режимах (например, балки или прогоны), в которых предусмотрена возможность задания нагрузки от собственного веса. Кроме того, с помощью маркеров указывается, является ли сечение клееным. Чаще всего в этой группе расположен список для выбора или ввода коэффициента надежности по ответственности по ГОСТ [4] Коэффициенты условий работы Для расчета элемента конструкции или соединения требуется информация о коэффициентах условий работы (m a, m Т, m д. ). Задание коэффициентов условий работы выполняется путем их выбора из списков (в списках приведены все значения, перечисленные в п. 3.2 и соответствующих таблицах СНиП II-25-80) или вводом нужного значения в поле списка (рис. 21). Рис. 21. Коэффициенты условий работы 14

23 нагрузок (рис. 36), которое появляется после нажатия этой кнопки, отображаются тип нагрузки, ее величина и позиция. Изменения, внесенные в параметры нагрузок, фиксируются после выхода из таблицы по нажатию кнопки ОК. Рис. 36. Диалоговое окно Таблица нагрузок Расчет Расчет значений факторов использования несущей способности выполняется по нажатию кнопки Вычислить. Прогоны проверяются по следующим факторам: Прочность элемента при действии изгибающего момента M y п. 4.9 СНиП II-25-80; Прочность элемента при действии изгибающего момента M z п. 4.9 СНиП II-25-80; Прочность при действии поперечной силы Q z п СНиП II-25-80; Прочность при действии поперечной силы Q y п СНиП II-25-80; Прочность при совместном действии M y и M z п СНиП II-25-80; Устойчивость плоской формы деформирования п.п. 4.14, 4.15, 4.18 СНиП II-25-80; Прогиб п СНиП II Если на странице Общие параметры был активирован маркер Ограничение по прогибу, то производится вычисление огибающей прогибов. Максимальное значение прогиба отображается в группе Максимальный прогиб на странице Общие параметры. С помощью кнопки, расположенной в этой же группе, вызывается диалоговое окно, в котором отображаются эпюры прогибов (рис. 37). Рис. 37. Диалоговое окно Огибающая прогибов Отметим, что при ненулевом угле наклона кровли прогоны изгибаются в двух плоскостях, следовательно, деформированная ось прогона представляет собой пространственную кривую. Учитывая тот факт, что уклон кровли, как правило невелик, в диалогом окне Огибающая прогибов прогибы рисуются приближенно без учета уклона кровли. Но экстремальное значение прогиба и соотвествующий фактор вычисляются точно. 23

32 Рис. 50. Диалоговое окно Усилия в элементах фермы 3.11 Элемент фермы Описанный выше режим Фермы предоставляет наиболее употребительный, но далеко не полный набор ферменных конструкций. Для анализа элементов произвольной фермы в программе предусмотрен специальный режим Элемент фермы, с помощью которого можно проанализировать несущую способность элемента фермы (предполагается, что задача статики решена ранее и усилия в элементе известны). На странице Общие параметры (рис. 51) задаются данные о сечении элемента, его типе (элемент пояса, элемент решетки. ), древесине и коэффициентах условий работы. Кроме того, в отдельной таблице задаются усилия (продольные силы) для произвольного числа загружений. Рис. 51. Диалоговое окно Элемент фермы. Элемент фермы проверяется по следующим факторам: Гибкость элемента из плоскости фермы п. 4.4 СНиП II-25-80; Гибкость элемента в плоскости фермы п. 4.4 СНиП II-25-80; Прочность элемента при действии растягивающей продольной силы п. 4.1 СНиП II-25-80; Прочность элемента при действии сжимающей продольной силы п. 4.2 СНиП II-25-80; Устойчивость в плоскости фермы при действии продольной силы п. 4.2 СНиП II-25-80; Устойчивость из плоскости фермы при действии продольной силы п. 4.2 СНиП II

33 ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ПРИЛОЖЕНИЕ 4.1 Калькулятор для расчета по формулам Калькулятор для расчета по формулам может быть вызван из программной группы SCAD Office иконкой. В разделе меню Сервис предусматривается возможность вызова как стандартного калькулятора среды MS Windows (если он установлен в системе), так и специального вычислителя (рис. 52), позволяющего выполнять расчеты по формулам. Вычислитель предназначен для проведения вычислений по формулам, которые задаются в окне ввода. При вводе формул следует соблюдать следующие правила: наименования функций вводятся строчными буквами латинского алфавита; разделителем дробной и целой частей числа является точка; арифметические операции задаются символами +,, *, /, ^ (возведение в степень), например, 2.5*2.5*2.5 записывается как 2.5^3. При записи формул можно использовать следующие функции: floor наибольшее целое число, не превышающее заданное; tan тангенс; sin синус; cos косинус; asin арксинус; acos арккосинус; atan арктангенс; exp экспонента; ceil наименьшее целое число, превышающее заданное; tanh тангенс гиперболический; sinh синус гиперболический; cosh косинус гиперболический; Рис. 52. Окно вычислителя log натуральный логарифм; log10 десятичный логарифм; abs абсолютное значение; sqrt корень квадратный. В зависимости от состояния переключателя Градусы/Радианы аргументы тригонометрических функций (sin, cos, tan) и результаты обратных тригонометрических функций (asin, acos, atan) приводятся в градусах или радианах соответственно. Допускается использование только круглых скобок при произвольной глубине вложенности. Пример: Формула 1, 2 + sin(0, 43) + 6, 7 6,8 5 0, 003 должна быть записана следующим образом: 1.2+sin(0.43)+6.7*sqrt(6.8) 0.003^(1/5). Если в соответствующих окнах ввода задать значения переменных, то появляется дополнительная возможность использовать в формуле три независимые переменные x, y, z. Это позволяет проводить серию однотипных вычислений при различных значениях параметров. Например, в этом режиме формула 1, 2 + sin( x) + 6, 7 6,8 5 y должна быть записана в виде 1.2+sin(x)+6.7*sqrt(6.8) y^(1/5). Кроме того, программа позволяет записать в поле ввода формул символическое выражение, зависящее от переменных x, y, z и активизацией одного из маркеров,, получить символическое выражение для соответствующей частной производной. Если в строке ввода (верхней) задана функция от переменных x, y, z, то в нижней строке появляется символическое выражение для частной производной по одной из этих переменных в зависимости от того, какой из маркеров (,, ) активен. 33

В наши дни программы для расчета конструкций, практически в полной мере сосредоточены на железобетонных и стальных конструкциях, что весьма оправдано: это самый распространенный материал в качестве несущих элементов. Другие материалы встречаются гораздо реже и не в самых ответственных сооружениях, что дает возможность «прикинуть» конструктивный элемент отдельно. Но что делать инженерам, столкнувшимся с необходимостью расчета деревянной конструкции, цель расчета которой подобрать элементы поясов и решетки и определится с шагом конструкций. В основном расчетном модуле программы SCAD нет норм по деревянным конструкциям, а значит определить несущую способность по расчетной модели нельзя. Можно посчитать вручную, но на сегодняшний день, считаю, это уже неактуальным.

В расчетном пакете программ SCAD есть специальная программа – Декор, позволяющая выполнять расчет деревянных конструкций и их элементов как отдельно, так и в составе конструктивных групп. Алгоритм расчета деревянной конструкции следующий: Расчетная схема будет собрана в программном комплексе МКЭ (метод конечных элементов), а дальше по полученным усилиям в Декоре будет произведен расчет деревянной конструкции и её элементов

Рассмотрим пример: требуется вычислить несущую способность верхнего пояса стропильной фермы деревянной конструкции:

Модель фермы состоит из стержневых элементов (считаю более точным использование универсальных КЭ, а не ферменных). Жесткости допустимо использовать произвольные, т.к. при расчете отдельных элементов конструкций деформативность схемы на полученные усилия влияет незначительно.

Полученные усилия анализу поддаются непросто, т. к. в поясе возникает и продольное усилие, и изгибающий момент. Здесь нам на помощь в анализе приходит Декор, а именно, модуль сопротивления деревянного сечения.

Программа SCAD потребует от инженера ввода габаритов сечения, расчетных характеристик, и расчётных сочетаний усилий, которые можно задать или вручную или с помощь. экспорта РСУ из SCAD:

Полученный файл расчета деревянной конструкции с усилиями легко воспринимается подпрограммами SCAD:

Вам останется лишь побрать сечение по полученным факторам. Все критерии проверок деревянного сечения будут соответствовать СП «деревянное конструкции».

Использование перфорированных балок в первую очередь обусловлено экономией в расходе стали. Изготовление балок происходит путем среза балки по стенке и дальнейшего сваривания двух частей со смещением.

Расчет перфорированных балок осуществляется согласно СП «Стальные конструкции», приложение М5. Согласно нормам, различают несколько точек в балке: точки углов выреза, точки над вырезанными отверстиями. Существует также много пособий, одно из которых: «Руководство по проектированию стальных балок с перфорированной стенкой» ЦНИИПРОЕКТСТАЛЬКОНСТРУКЦИЯ 1978 г. В данной статье мы рассмотрим расчет перфорированных балок методом конечно элементного моделирования. За основу возьмем пластинчатые элементы.

Расчет перфорированных балок можно начать с препроцессора ФОРУМ ПК SCAD.

Установка узлов для расчёта перфорированной балки

Для начала работы необходимо установить узлы, при моделировании я пользовался плитными элементами сечением стенки 2 см, полки 3 см, пролет конструкции 18 м. В результате получил сперва сплошную балку, затем с помощью подпрограммы КОНСУЛ ПК SCAD нанес перфорацию (для корректировки плитных частей в подпрограммы ФОРУМ необходимо в меню команды «информация об элементе» воспользоваться режимом «изменить»).

Программа КОНСУЛ ПК SCAD богата возможностями по изменению очертаний сечений, например перфорацию как внутренний контур я копировал, привязываясь к шагу сетки.

Стержневый элемент для перфорированной балки

Для удобства назначения нагрузок можно предусмотреть установку стержневого элемента (в случае равномерно распределенной нагрузки на балку, если нужна сосредоточенная нагрузка, достаточно ввести ее как нагрузка на узел). Жесткость элемента должна быть близкой к нулю, иначе этот «фиктивный» стержень будет «помогать» работе балке.

Созданную модель переводим в ПК SCAD средствами триангуляции. Шаг разбивки в этой задаче я поставлю 0,1м (ширина полки моего двутавра 0,25м, высота 1м).

Добавляем нагрузку на стержневой элемент перфорированной балки, назначая ее как равномерно распределенная на стержневой (фиктивный) элемент. Для своей балки задал 5 т/м, плюс нагрузка от собственного веса.

Интересным также является вопрос с закреплением такой перфорированной балки. Для понимания вопроса я рассмотрю две топологически похожие схемы в ПК SCAD: одна балка закреплена одним узлом в углу стенки, во второй вводится торцевая пластина, нижняя грань которой закрепляется. Одна сторона закреплена неподвижным шарнирном (X,Y,Z,Ux,_Uz), другая – подвижным (_,Y,Z,Ux,_Uz).

Расчет напряжений в перфорированной балке

Так как пластинчатые элементы не конструируются, определять несущую способность необходимо по напряжениям. В качестве «силовых» факторов в таблице ПК SCAD (в зависимости от типа элемента, исходных данных и напряженно-деформированного состояния) выводятся следующие величины (информация из справки программы):

главные напряжения (Т/м2) — σ1, σ2, σ3;
углы Эйлера (рад) — ТЕТА, PSI и FI;
коэффициент Лоде-Надаи — MU;
нормальное напряжение в характерных точках поперечного сечения стержня (Т/м2) — NX;
касательные напряжения в характерных точках поперечного сечения стержня (Т/м2) — τXY, τXZ;
эквивалентные напряжения, приведенные к эквивалентному растяжению по одной из четырех теорий прочности (Т/м2) — σE1, σE2, σE3, σE4;
эквивалентные напряжения, приведенные к эквивалентному сжатию по одной из четырех теорий прочности (Т/м2) — σS1, σS2, σS3, σS4.

Теория прочности 4 - Энергетическая теория Губера-Мизеса-Хенки – наиболее близка к требованиям расчета нормами РФ (п.11 – расчет листовых конструкций). При анализе расчета перфорированных балок по этой теории нет необходимости смотреть на вектора выравнивания напряжений, результаты выводятся по модулю, без разделения на сжатие и растяжение. Сталь одинаково работает на сжатие и растяжение, без образования трещин (нелинейная постановка задачи не требуется). Сравнив полученные значения напряжений в трех слоях (внутренний, средний и наружный слой пластинчатых элементов) с пределом текучести стали в ПК SCAD, мы сделаем вывод о несущей способности балки.

На рисунке видно, что наиболее нагруженные зоны – верхняя и нижняя часть балки в середине пролета. В первом случае (когда я закреплял угол стенки) возникают дополнительные критические напряжения, в то время как во втором случае (где закреплена торцевая пластина) напряжения не сосредотачиваются в зоне опирания. Второй вариант более корректный.

Итак, выводим значение напряжений в т/м 2 и сравниваем их с пределом текучести стали.

Расчетные значения получились в районе 22-23 тыс. т/м 2 . Для стали С 255 предел текучести 24 тыс. т/м 2 . Наша балка пролетом 18 м, высотой стенки 1 м нагрузку в 5 т/м выдержала.

Хочу также отметить, что это один из факторов проверки сечений, необходимо также проверять балку на прогибы (это можно сделать по изополям перемещений по Z) и на устойчивость. Проверка выполняется с помощью инструмента ПК SCAD «анализ устойчивости» Для этого нужно закрепить балку «из плоскости» согласно конструктивному решению здания. При значении коэффициента запаса несущей способности меньше 1,3 устанавливаются ребра или дополнительные узлы крепления.

Представленный в статье метод расчета в ПК SCAD подходит не только для расчета перфорированных балок. Например, можно выполнить расчет на прочность листовых конструкций области машиностроении, сложные узлы примыкания строительных конструкций, уточнить расчет балки или колонны сплошного сечения при изгибе в двух плоскостях.

Программный комплекс SCAD помимо расчетного модуля конечно-элементного моделирования имеет в своем составе набор программ, способных выполнять решение более частных задач. Ввиду своей автономности набор программ сателлитов можно использовать отдельно от основного расчетного модуля SCAD, причем не запрещается выполнять совместные расчеты с альтернативными программными комплексами (ПК ЛИРА 10, Robot Structural Analysis, STARK ES). В данной статье мы рассмотрим несколько примеров расчета в SCAD Office.

Пример подбора арматуры в ребре плиты заводской готовности в программе SCAD

Плита будет монтироваться на стройплощадке, например, на кирпичные стены шарнирно. Моделировать для такой задачи всю плиту, часть здания или целиком все здание считаю нецелесообразным, поскольку трудовые затраты крайне несоизмеримы. На помощь может прийти программа АРБАТ. Ребро рекомендуется нормами рассчитывать, как тавровое железобетонное сечение. Меню программного комплекса SCAD интуитивно-понятное: по заданному сечению, армированию и усилию инженер получает результат о несущей способности элемента со ссылкой на пункты нормативных документов. Результат расчета может быть автоматически сформирован в текстовом редакторе. На ввод данных уходит примерно 5-10 мин, что значительно меньше формирования конечно элементной модели ребристого перекрытия (не будем забывать, что в определенных ситуациях расчет методом конечных элементов дает больше расчетных возможностей).

Пример расчета закладных изделий в SCAD

Теперь вспомним расчет закладных изделий для крепления конструкций к железобетонным сечениям.

Нередко встречаю конструкторов, закладывающих параметры из конструктивных соображений, хотя проверить несущую способность закладных довольно просто. Для начала необходимо вычислить срезающее усилие в точке крепления закладной детали. Сделать это можно вручную, собрав нагрузки по грузовой площади, или по эпюре Q конечно-элементной модели. Затем воспользоваться специальным расчетным боком программы АРБАТ, занести данные по конструкции закладной детали и усилиям, и в итоге получить процент использования несущей способности.

Еще с одним интересным примером расчета в SCAD может столкнуться инженер: определение несущей способности деревянного каркаса. Как мы знаем, ввиду ряда причин расчетные программы МКЭ (метод конечных элементов) не имеют в своем арсенале модули расчета деревянных конструкций по российским нормативным документам. в связи с этим расчет может производится вручную или в другой программе. Программный комплекс SCAD предлагает инженеру программу ДЕКОР.

Помимо данных по сечению, программа ДЕКОР потребует от инженера ввода расчетных усилий, получить которые поможет ПК ЛИРА 10. Собрав расчетную модель, можно присвоить стержням параметрическое сечение дерева, задать модуль упругости дерева и получить усилия по деформационной схеме:

Полученные усилия далее необходимо задать в программе ДЕКОР для расчета сопротивления деревянного сечения.

В данном примере расчета в SCAD, критическим значением оказалась гибкость элемента, запас по предельному моменту сечений «солидный». Вспомнить предельное значение гибкости деревянных элементов поможет информационный блок программы ДЕКОР:

Пример расчета несущей способности фундамента в SCAD

Неотъемлемой частью моделирования свайно-плитного фундамента является расчет несущей способности и осадки сваи. Справится с задачей подобного рода, инженеру поможет программа ЗАПРОС. В ней разработчики реализовали расчет фундаментов согласно нормам «оснований и фундаментов» и «свайного фундамента» (в расчетных программах МКЭ таких возможностей не встретишь). Итак, чтобы смоделировать сваю, необходимо вычислить жесткость одноузлового конечного элемента. Жесткость измеряется в тс/м и равна отношению несущей способности сваи к ее осадке. Моделирование рекомендуется выполнять итерационно: в начале задавать приближенную жесткость, затем уточнять значение жесткости по вычисленным параметрам сваи. Построенная модель расчета методом конечных элементов позволит нам не только точно найти нагрузку на сваю, но и рассчитать армирование ростверка:

После расчета конструкции пользователь ПК ЛИРА 10 сможет вычислить требуемую нагрузку на сваю по выводу мозаики усилий в одноузловом конечном элементе. Полученное максимальное усилие будет являться требуемой расчетной нагрузкой на сваю, несущая способность выбранной сваи должна превышать требуемое значение.

В качестве исходных данных в программу ЗАПРОС вводиться тип сваи (буровая, забивная), параметры сечения сваи и грунтовые условия согласно данным геологических изысканий.

Пример расчета узловых соединений в SCAD

Расчет узловых соединений – важная часть анализа несущей способности зданий. Однако, зачастую, конструктора пренебрегают данным расчетом, результаты могут оказать крайне катастрофическим.

На рисунке приведен пример отсутствие обеспечения несущей способности стенки верхнего пояса подстропильной фермы в точке крепления стропильной фермы. Согласно СП «Стальные конструкции» подобные расчеты производятся в обязательно порядке. В программа расчета методом конечных элементов и такого расчета тоже не встретишь. Выходом из ситуации может стать программа КОМЕТА-2. Здесь пользователь найдет расчет узловых соединений согласно действующих нормативных документов.

Наш узел – ферменный и для его расчета необходимо выбрать советующий пункт в программе. Далее пользователь выбривает очертание пояса (наш случай V-образный), геометрические параметры панели, усилия каждого стержня. Усилия, как правило, вычисляются в расчетных программах МКЭ. По введенным данным программа формирует чертеж для наглядного представления конструкции узла и вычисляет несущую способность по всем типам проверки согласно нормативным документам.

Пример построения расчета МКИ в SCAD

Построение моделей расчета методом конечных элементов не обходится без приложения нагрузок, вычисленные вручную значения присваиваются в расчетных программах МКЭ на элемент. Помощь в сборе ветровых и снеговых нагрузках инженеру окажет программа ВЕСТ. Программа включает в себя несколько расчетных модулей, позволяющих по введенном району строительства и очертанием контура здания вычисляет ветровую и снеговую нагрузку (самые распространенные расчетные модули программы ВЕСТ). Так, при расчете навеса, конструктор должен указать высоту конька, угол наклона и ширину ската. По полученным эпюрам нагрузка вводится в расчетную программу, например, ПК ЛИРА 10.4.

В качестве вывода, могу сказать, что программный комплекс SCAD и его сателлиты позволяют пользователю существенно снизить трудозатраты при вычислении локальных задач, а также формировать точные расчетные модели, а также содержат справочные данные, необходимые в работе инженеров - строителей. Автономность программ позволяет конструкторам использовать их в сочетании с любыми расчетными комплексами, основанных на расчете методом конечных элементов.

Также рекомендую посмотреть вебинар по совместному использованию ПК ЛИРА 10 и программы ЗАПРОС (SCAD office) на примере расчета свайного основания.

а – план перекрытия; б – расчетная схема главной балки; в – сечение балки; 1 – грузовая площадь

Цель: Проверка расчета балок в постпроцессоре «Сталь» вычислительного комплекса SCAD

Задача: Подобрать сварной двутавровый профиль для главных балок пролетом 18,0 м в балочной клетке нормального типа. Верхний пояс главных балок раскреплен по длине балками настила, расположенными с шагом 1 м.

Источник: Металлические конструкции: учебник для студ. Учреждений высш. проф. Образования / [Ю. И. Кудишин, Е. И. Беленя, В. С. Игнатьева и др.]; под. Ред. Ю. И. Кудишина. - 13-е изд., испр. - М. : Издательский центр "Академия", 2011. С 192.

Соответствие нормативным документам: СНиП II-23-81*, СП 16.13330, ДБН В.2.6-163:2010.

Имя файла с исходными данными:

Исходные данные:

а = 6 м	Шаг главных балок;
g₁ = 1,16 кН/м 2	Масса настила и балок настила;
p = 20 кН/м 2	Временная (полезная) нагрузка;
q_н = 127,099 кН/м	Суммарная нормативная нагрузка на балку;
q₁ = 1,051,16 кН/м 2 6 м*1,02 = 7,454 кН/м	Расчетная постоянная нагрузка; (коэффициент 1,02 учитывает собственный вес главной балки);
q₂ = 1,220 кН/м 2 6 м = 144,0 кН/м	Расчетная полезная нагрузка;
l = 18 м	Пролет главной балки;
R_y = 23 кН/cм 2 R_s = 0,58*23=13,34 кН/cм 2	Сталь марки C255 при толщине t>20 мм;
[ f ] = l/400 = 45 мм	Предельный прогиб;
b_p×t_p = 530×20 мм	Сечение опорного ребра;
k_p = 6 мм	Катет углового шва в сварном соединении опорного ребра с балкой;
γ_c = 1	Коэффициент условий работы;
W_y = 27153,85 см 3	Геометрические характеристики для сварного
I_y = 2308077,083 см 4	двутавра с полками 530×25 мм и стенкой 1650×12 мм;
S_y = 15180,625 см 3 .

Результаты SCAD Постпроцессор СТАЛЬ:
[Элемент № 3] Усилия

Макс. 0 Т
Привязка 0 м

Макс. 625,27 Т*м
Привязка 4,5 м

Макс. 0 Т*м
Привязка 0 м

Макс. 69,47 Т
Привязка 0 м

Макс. 0 Т
Привязка 4,5 м

Макс. 0 Т
Привязка 0 м

Длина стержня 4,5 м
Длина гибкой части 4,5 м
Загружение L1 - "1"

[Элемент № 3] Прогибы

Макс. -43,54 мм
Привязка 4,5 м

Длина стержня 4,5 м
Длина гибкой части 4,5 м
Загружение L1 - "1"

Расчет выполнен по СНиП II-23-81*
Конструктивный элемент main beam

Сталь: C255

Длина элемента 18 м
Предельная гибкость для сжатых элементов: 180
Предельная гибкость для растянутых элементов: 300
Коэффициент условий работы 1
Коэффициент надежности по ответственности 1
Коэффициент расчетной длины XoZ -- 1
Коэффициент расчетной длины XoY -- 1
Расстояние между точками раскрепления на плоскости 1 м

Сечение

Прочность при действии изгибающего момента My

Прочность при действии поперечной силы Qz

Прочность при совместном действии продольной силы и изгибающих моментов без учета пластики

Устойчивость плоской формы изгиба

Предельная гибкость в плоскости XoY

Предельная гибкость в плоскости XoZ

Коэффициент использования 0,98 - Прочность при действии изгибающего момента My

Ручной расчет (СНиП II-23-81*):

1. Максимальный изгибающий момент и поперечная сила, действующие в расчетных сечениях балки:

2. Необходимый момент сопротивления балки:

3. Максимальные касательные напряжения, возникающие в опорном сечении балки:

4. Максимальный прогиб, возникающий в середине пролета балки:

5. Условная предельная гибкость сжатого пояса балки:

6. Условная фактическая гибкость сжатого пояса балки:

7. Условная гибкость свеса сжатой полки балки:

8. Прочность опорного ребра при смятии его торцевой поверхности (\( (R_ =370 \quad МПа,\), \(R_

=\frac=360,98 \quad МПа \) (см. табл. 1*)):

\[ N_

=A_

=53,0\cdot 2\cdot 36,098=3826,388 \quad кН. \]

9. Условная площадь, момент инерции и гибкость опорного ребра при расчете его устойчивости:

10. Коэффициент продольного изгиба опорного ребра балки:

11. Несущая способность опорного ребра из условия обеспечения его устойчивости:

\[ N_ =\varphi A_ R_ =0,9824\cdot 134,012\cdot 23,0=3028,028 \quad кН. \]

12. Несущая способность угловых швов, крепящих опорное ребро к стенке балки:

\[ N_ =2\beta_ k_ l_ R_ \gamma_ =2\beta_ k_ \left( <85\beta_k_ > \right)R_ \gamma_ =2\cdot 0,7\cdot 0,6\cdot \left( \right)\cdot 18,0\cdot 1,0=539,784 \quad кН. \]

13. Погонная несущая способность угловых швов, крепящих полки балки к стенке:

\[ N_ =2\beta_ k_ R_ \gamma_ =2\cdot 0,7\cdot 0,8\cdot 18,0\cdot 1,0=20,16 \quad кН/см. \]

14. Погонное сдвиговое усилие, действующее на угловые швы, крепящие полки балки к стенке:

Читайте также: