6 Расчетная модель
Параметры расчетной модели, к которым относятся свойства материала, коэффициенты расчетных длин, нагрузки, закрепления, сосредоточенные массы и шарниры, задаются с помощью команд меню Расчетная Модель.
Создание материала. В модели может быть задано несколько материалов, но проверки несущей способности выполняются только для установленного материала, и транслируется в текстовый файл при экспорте также только установленный материал. Материал может быть создан и установлен командами Модель → Создать материал и Модель → Установить материал, соответственно. По умолчанию предлагается создать материал, имеющий упруго-массовые свойства, соответствующие стали, рис. 6.1 От пользователя требуется выбрать из выпадающего списка марку стали по ГОСТ 27772-88. Нормативные и расчетные сопротивления для выбранного материала устанавливаются в соответствии с толщиной листа. По умолчанию вновь созданный материал считается установленным.
Изменение 1 установленного материала осуществляется выбором соответствующего материала, рис. 6.2.
1 Рекомендуется, чтобы между заданными параметрами \(E\), \(G\), \(\nu\) выполнялось соотношение:
\[ \left| G - \frac{E}{2(1+\nu)} \right| < 0{,}001E \]
При задании одного из параметров равным нулю, его значение определяется по этому соотношению.
Для текущего состояния геометрической модели рамы автоматически вычисляется масса конструкции рамы. При вычислении массы рамы объем всех конструктивных элементов, включая ребра, умножается на плотность материала. Масса рамы отображается в статусной строке.
Задание коэффициентов расчетных длин. Желательно, чтобы коэффициенты расчетных длин конструктивных элементов были заданы сразу после того, как будет закончено задание основных параметров. Это необходимо для того, чтобы можно было выполнять проверку ограничений по свесам. Коэффициенты расчетных длин также используются при проверках прочности, устойчивости и при экспорте модели в формате программы SCAD.
Коэффициенты расчетных длин для ригелей и колонн в плоскости рамы и из плоскости рамы можно задать в диалоговом окне, рис. 6.3, рис. 6.4.
6.1 Статические нагрузки
Статические нагрузки на расчетную модель задаются в терминах геометрической модели и могут включать в себя нагрузки следующих видов:
типовые загружения;
крановые загружения;
произвольные загружения.
Положительные направления нагрузок:
вдоль оси X – совпадает с положительным направлением оси X;
вдоль оси Z – совпадает с отрицательным направлением оси Z.
6.1.1 Типовые загружения
Типовые нагрузки должны присутствовать в расчетной модели. Они могут включать в себя следующие типовые загружения:
загружение 1 – собственный вес рамы;
загружение 2 – постоянные вертикальные нагрузки на ригели и колонны от веса кровли и стеновых панелей;
загружение 3 – снеговая нагрузка слева;
загружение 4 – снеговая нагрузка справа;
загружение 5 – ветровая нагрузка слева;
загружение 6 – ветровая нагрузка справа;
загружение 7 и 8 – ветровая нагрузка в торец.
В модели, как минимум, должно быть задано одно типовое загружение – собственный вес рамы.
Каждое загружение определяется своим набором параметров, свойственных типу приложенной нагрузки. Кроме этого, для постоянных нагрузок на ригели и колонны и снеговых нагрузок предусмотрена возможность задания дополнительных нагрузок. В случае постоянных нагрузок это могут быть, например, локальные нагрузки от веса оборудования. В случае снеговых нагрузок дополнительные нагрузки могут моделировать вес снеговых мешков.
При задании ветровых нагрузок может быть задан параметр Delta_h, увеличивающий расчетную высоту здания h (см. [6] 11.1.4).
Задание типовых нагрузок выполняется командой Модель → Типовые нагрузки. При выполнении команды появляется диалоговое окно, в котором производится задание нагрузок за пять шагов:
Задание нагрузок от собственного веса, рис. 6.5;
Задание характерных размеров рамы, а также карнизного свеса и парапета, рис. 6.6;
Задание постоянных нагрузок, рис. 6.7;
Задание ветровых нагрузок, рис. 6.8;
Задание снеговых нагрузок, рис. 6.9.
Нагрузки могут задаваться либо в соответствии со старыми нормами, либо в соответствии с нормами 2011-2016 г.
6.1.2 Задание дополнительных нагрузок
При задании постоянных и снеговых нагрузок существует возможность задания дополнительных нагрузок в общем виде. В случае постоянных нагрузок это могут быть, например, локальные нагрузки от веса оборудования. В случае снеговых нагрузок дополнительные нагрузки могут моделировать вес снеговых мешков.
Операции с дополнительными нагрузками производятся с помощью кнопок Добавить, Изменить, Удалить из диалогового окна Задание типовых нагрузок.
Добавление нагрузки
При нажатии на кнопку Добавить появляется диалоговое окно создания дополнительных нагрузок в конфигурации, показанной на рис. 6.10. После задания параметров нагрузки и нажатии на кнопку Добавить в этом окне, нагрузка будет добавлена к типовым нагрузкам.
При задании сосредоточенной нагрузки точка приложения нагрузки задается привязкой. В этой точке автоматически будет создано сечение разбивки.
Отметим, что нагрузки, приложенные к колоннам, могут иметь эксцентриситет, который отсчитывается от внешней грани колонны. Знак + соответствует смещению линии действия нагрузки внутрь рамы.
При задании распределенных нагрузок, рис. 6.11, задаются привязки границ участка действия нагрузки. При этом возможно задание линейно меняющейся нагрузки от сечения A к сечению B. Нагрузка в сечении B будет отличатся от нагрузки в сечении A на заданный множитель.
Дополнительные нагрузки не симметризуются, т.е. нагрузки, приложенные к левой колонне или ригелю симметричной рамы, не переносятся на правую колонну или ригель.
После задания всех нагрузок нужно нажать на кнопку Завершить, чтобы вернуться в диалоговое окно Задание типовых нагрузок.
Изменение нагрузки
При нажатии на кнопку Изменить появляется диалоговое окно модификации дополнительных нагрузок в конфигурации, показанной на рис. 6.12 В этой конфигурации кнопки Изменить , Пропустить и Удалить выполнить соответствующее действие с очередной дополнительной нагрузкой.
Удаление всех дополнительных нагрузок
Нажатие на кнопку Удалить в диалоговом окне Задание типовых нагрузок приводит к удалению всех дополнительных нагрузок данного варианта загружения.
6.1.3 Крановые загружения
Крановые нагрузки могут быть заданы для всех типов рам, кроме сегментных и произвольных рам.
Задание крановых нагрузок выполняется в два этапа, рис. 6.13 Вначале в диалоговом окне, рис. 6.14, должны быть заданы параметры хотя бы одного крана. Это может быть либо подвесной, либо мостовой кран с числом колес в тележке либо 2, либо 4.
Затем в диалоговом окне, рис. 6.15, задается необходимая комбинация из одного или двух кранов. При этом автоматически может быть создан отчет в формате Word по определению нагрузок от заданной комбинации.
6.1.4 Пример отчета по заданию крановых нагрузок от опорных кранов
См. pdf-версию отчета.
6.1.5 Пример отчета по заданию крановых нагрузок от подвесных кранов
См. pdf-версию отчета.
6.1.6 Произвольные загружения
Произвольное загружение может содержать несколько сосредоточенных и/или распределенных нагрузок. Диалоговые окна задания этих нагрузок показаны на рис. 6.16, рис. 6.17.2 При создании загружения нужно выбрать вид нагрузки и номера групп взаимоисключающих и/или сопутствующих загружений. Эти данные используются при формировании РСУ.
2 Для многоконьковой рамы рекомендуется указывать позицию нагрузок на ригелях не меньше чем половина высоты профиля колонны
Отображение нагрузок. Нагрузки могут быть отображены либо на геометрической модели, либо на конечно-элементной модели.
На геометрической модели нагрузки отображаются в тех размерностях, в которых они заданы. Но если в диалоговом окне задания типовых нагрузок, см. рис. 6.1, включить опцию Унифицировать распределенные нагрузки, распределенные по площади нагрузки будут приведены к нагрузкам, распределенным по длине с использованием текущего значения шага рам.
Кроме того, распределенные по площади нагрузки, действующие на карнизные свесы и парапеты, отображаются на геометрической модели в виде сосредоточенных нагрузок.
Нагрузки от собственного веса не отображаются на расчетной модели.
Для стержневой конечно-элементной модели распределенные нагрузки приводятся к распределенным по длине силам на элементах, и сосредоточенным силам и моментам в узлах, которые учитывают несовпадение сетки элементов с внешними гранями рамы.
Для оболочечной конечно-элементной модели распределенные нагрузки приводятся к сосредоточенным силам в узлах.
На рисунке модели рамы отображается установленное (текущее) загружение. Изменение установленного загружения выполняется с помощью команды Модель → Установить активное загружение путем выбора соответствующего загружения, рис. 6.18, или с помощью кнопок на панели команд.
6.2 Сосредоточенные массы
Сосредоточенные массы используются для добавления неконструктивно обусловленных масс в расчетную модель. Заданные массы используются при формировании нагрузок от собственного веса и при анализе собственных колебаний конструкции. Диалоговое окно задания масс для типовой рамы показано на рис. 6.19.
6.3 Закрепления
Закрепления задаются в терминах конструктивных элементов и имеют смысл при создании моделей как типовых, так и произвольных рам.
В том случае, если на панели задания геометрии типовой рамы, см. рис. 6.2, включена опция Автоматически назначить закрепления, закрепления назначаются автоматически в зависимости от типа рамы. Если закрепления задаются пользователем, то при включенной опции приоритет имеют автоматически назначаемые закрепления. Диалоговое окно задания закреплений показано на рис. 6.20.
6.4 Шарниры
Под шарнирами понимается произвольное освобождение одной или всех из шести связей в сечении конструктивного элемента или в узле сопряжения. Шарниры задаются в терминах конструктивных элементов и имеют смысл моделей как типовых, так и произвольных рам.
В том случае, если на панели задания геометрии типовой рамы, см. рис. 6.2, включена опция Автоматически расставить шарниры, шарниры расставляются автоматически в зависимости от типа рамы. Если шарниры задаются пользователем, то при включенной опции приоритет имеют автоматически назначенные шарниры. Диалоговое окно задания шарниров показано на рис. 6.21.
6.5 Функции
Команда Расчетная модель → Функция позволяет создавать объекты, которые являются таблицами зависимости параметра \(Y\) от параметра \(X\). Эти таблицы называются функциями или функциональными зависимостями. Функции используются при описании спектров сейсмических воздействий задаваемых пользователем.
При обращении к команде появляется диалоговое окно Задание функции (рис. 6.22).
Функция \(Y(X)\) может иметь различный физический смысл, который определяется как типом величины \(Y\), так и типом аргумента \(X\). Выпадающий список Тип позволяет выбрать нужный тип. Ниже приведены доступные типы зависимостей:
Ускорения (м/c^2) от частоты (Гц);
Коэффициент динамичности от периода (с);
Строки в таблице всегда отображаются и используются в порядке возрастания значений аргумента.
Кнопки Добавить, Удалить, Очистить, Заменить, Вставить служат для управления списком строк табличной функции.
При нажатии кнопки Сохранить формирование данной табличной функции заканчивается, предлагается начать формирование следующей функции.
При нажатии кнопки Выход выполнение команды прекращается.
6.6 Сейсмические нагрузки
Сейсмические нагрузки задаются с помощью команды Расчетная модель → Сейсмические нагрузки, которая позволяет задать параметры нескольких сейсмических загружений, рис. 6.23.
По умолчанию расчет проводится для двух направлений воздействия в плоскости рамы: по горизонтали (TX) и по вертикали (TZ). Поскольку нагрузки, соответствующие сейсмическому воздействию, рассматриваются как знакопеременные, каждому заданному направлению соответствует пара откликов системы.
Параметры сейсмического загружения и расчет реакции системы на сейсмические нагрузки могут определяться в соответствии с одними из действующих норм “Строительство в сейсмических районах”:
СП 14.13330.2104;
СНиП II-7-81* 2000;
СНиП РК 2.03-30-2006.
Заданные спектры по умолчанию принимаются стандартными, но пользователь имеет возможность выбрать собственные спектры, которые предварительно должны быть заданы в виде функций соответствующей размерности.
6.6.1 Методика расчета на сейсмические нагрузки
После создания загружения, нажатием кнопки Выполнить анализ загружения может быть выполнен расчет на сейсмические воздействия, после чего можно посмотреть частоты и формы колебаний, а также реакцию системы по каждой форме колебаний. Этот расчет является предварительным, РСУ при этом расчете не определяются.
При автоматическом определении количества необходимых форм в разложении, критерием являются величины эффективных модальных масс для заданного направления воздействия.
Минимальное число форм собственных колебаний, учитываемых в расчете, выбирается так, чтобы сумма эффективных модальных масс, учтенных в расчете, составляла не менее 90% общей массы системы, возбуждаемой по направлению действия сейсмического воздействия для горизонтальных воздействий и не менее 75 % – для вертикального воздействия. Учитываются все формы собственных колебаний, эффективная модальная масса которых превышает 5 %.
6.6.2 Пример выполнения расчета на сейсмические нагрузки
Шаг 1 Создается модель рамы, рис. 6.24.
Шаг 2. Создаются Типовые загружения
Шаг 3. Создается конечно-элементная модель
Шаг 4. Определяются параметры сейсмического загружения (Команда Расчетная модель → Сейсмические нагрузки), расчет по методике СП 14.13330.2014, см. рис. 6.23.
Шаг 5. Создается отчет по сейсмическому загружению (Кнопка Создать отчет), см. п.5.5.3.
Шаг 6. Выполняется выбор вида анализа – 3. Анализ статических и сейсмических загружений, команда Анализ → Задать параметры анализа, рис. 6.25.
Шаг 7. Выполняется анализ и определение РСУ для основных сейсмических и особых сочетаний нагрузок, команда Анализ → Выполнить анализ.
После выполнения шага 7 данные модели будут содержать результаты четырех групп:
Статика;
Сейсмика;
Статика+сейсмика;
Собственные формы.
По результатам первых трех групп будут определены РСУ и комбинации загружений с коэффициентами РСУ, соответствующими выбранной методике расчета сейсмического загружения, рис. 6.26.
6.6.3 Отчет по определению сейсмических нагрузок
См. pdf-версию отчета.