Расчет в скаде металлического каркаса

Обновлено: 18.05.2024

Проектирование металлокаркаса любого строительного сооружения не ограничивается указанием профилей несущих элементов. Очень важным процессом является конструирование стальных узлов примыканий элементов. И здесь, конечно же, не обойтись без расчета стальных узлов. Расчетный комплекс SCAD Office предлагает современное решение задачи – подпрограмма КОМЕТА-2. В подпрограмме SCAD Office сосредоточенна методика анализа несущей способности некоторых типов узлов (все узлы подпрограмма посчитать не сможет, однако, поможет разложить сложный стальной узел на несколько типовых).

Итак, рассмотрим ряд примеров расчета стальных узлов с помощью SCAD Office.

Расчет стального узла фермы из гнутосварного профиля.

Фермы из квадратных и прямоугольных труб широко распространены в нашей стране, и проверка устойчивости стенок – неотъемлемая часть расчета, которая, кстати, может повлиять на уже ранее выбранный профиль. На рисунке ниже изображена двух пролётная рама с железобетонными колоннами и стальными стропильными и подстропильными фермами.

Наиболее уязвимым считается узел подстропильной фермы в точке опирания стропильной фермы на подстропильную. Его мы и проверим.

Расчет такого узла описан в СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции» приложении Л. Есть соответствующий рисунок в нормативном документе.

Как видно по рисунку для вычисления несущей способности узла нужны усилия N и F. Их можно получить из ранее собранной расчетной модели в SCAD Office, которую наверняка будет собирать инженер для подбора элементов металлопроката.

Методика, приведенная в СП «стальные конструкции» полностью реализована в SCAD Office, в подпрограмме КОМЕТА-2. В качестве исходных данных вводятся усилия, выбранные сечения и геометрия решетки фермы. Усилия получим по нашей расчетной схеме для средней рамы

Также хочется отметить, что на этом этапе несущая способность пояса обеспечена:

Указав в исходных данных программы SCAD Office (подпрограмме КОМЕТА-2) все необходимые данные, получаем результат в виде коэффициента использования и схематического чертежа. Усилия указываются от действия расточного сочетания нагрузок (прямого обмена данными между SCAD и КОМЕТА-2 нет, поэтому все данные переносятся вручную).

Несущая способность пояса в узле не обеспечена (значение коэффициента использования больше 1), хотя по результатам расчета на первом этапе пояс обладал допустимым запасом несущей способности. Невыполнение подобного расчета провоцирует обрушение здания.

Расчет опорного узла базы колонны.

Классическим решением опирания колонны стальной рамы на фундамент является жесткая база колонны. При конструировании базы необходимо правильно подобрать болты, все пластины, задать отступы базовой пластины и т.д. Очень простой алгоритм расчета этой задачи предлагается в программе SCAD Office (подпрограмме КОМЕТА-2): по заданным усилиям программа не только проверяет введенное Вами решение базы колонны, но и самостоятельно способна законструировать параметры узла. В качестве примера воспользуемся стальным каркасом однопролетного промышленного здания.

Усилия на узел опирания можно собрать по расчетной схеме с помощью нагрузки от фрагмента схемы. Здесь потребуются нагрузки вертикальные, поперечные и изгибающего момента в участке обреза фундамента. Опорные реакции в узле будут исходными данными в программе КОМЕТА-2. Результат расчета получаем также в виде коэффициента использования и схематичного чертежа.

В запасе инструментария SCAD Office, подпрограммы КОМЕТА-2, есть расчетные модули стыковых узлов балок, сопряжения узлов ригеля и колонн, а также типовые узлы, где уже сформированное конструктивное решение проверяется на указанную нагрузку.

Расчет закладной детали.

К узлам стальных конструкций можно отнести и узел крепления стальной балки к бетонной стене. Здесь помимо элементов крепления важно произвести расчет закладной детали. Закладные детали рассчитываются по нормам железобетонных конструкций, в комплексе SCAD Office за расчет закладных отвечает подпрограмма АРБАТ. Подпрограмма АРБАТ позволяет рассчитать закладные 3-х типов. Данные которые потребуется для расчета – поперечное усилие и параметры расположения анкеров.

Итак, с помощью подпрограмм SCAD Office у любого инженера есть возможность законструировать и произвести расчет стальных узлов конструкций. Программы SCAD Office просты в освоении, очень удобны, и что также важно – выполняют расчеты по всем действующим нормам Российской Федерации.

Расчет в скаде металлического каркаса

О чем только не пишут здесь. © Благонамеренный блогер

Статьи на темы:

Монтаж в SCAD (полный вкус)

И так, в чем заключается смысл. Когда мы считаем здания/сооружение на последних этажах, а как правило на последнем этаже возникают огромные моменты в колоннах в местах стыка с плитами. По старинке проблема не решается вовсе - мы анкерим громадные диаметры арматура колонны в перекрытии, если не хватает толщины плиты - делаем банкетки/капители. Есть мнение, что мы можем изменить условие примыкания колонн к плитам - ввести шарнир. Как сделать это в расчетной схеме я думаю понятно всем, но как это будет работать - мало кому понятно. Мне не удавалось найти развернутый ответ в литературе и сети, я также не смог получить его от людей, которые этот метод практикуют. Максимум что я обнаруживал - это ссылка на великого и ужасного "создателя" "Лиры" и фразу ". у нас не научно исследовательский институт.." ну и особо словоохотливые отправляли к строчке в конце расчета "РАСЧЕТ ВЫПОЛНЕН". От абстракции к конкретике. Я не буду вспоминать подробно о здании, вверху где-то есть на него ссылка. Я представляю себе строительство таким образом:

Какой-то нашлепок с выпущенной арматурой из фундамента (фундаменты мы опускаем вовсе).
Заливаются колонны, балки, диафрагмы, стены лифтового узла и перекрытие первого этажа.
Заливаются колонны, балки, диафрагмы, стены лифтового узла и перекрытие второго этажа.
Заливаются колонны, балки, диафрагмы, стены лифтового узла и перекрытие третьего этажа.
Заливаются колонны, балки, диафрагмы, стены лифтового узла и перекрытие четвертого этажа.
Заливаются колонны, балки, диафрагмы и перекрытие пятого этажа.
Добавляются другие элементы здания и нагрузки, например лестница.

Первая стадия монтажа спорная, так как этот нашлепок или подколонник или как угодно может быть различной длины в зависимости от глубины заложения фундамента. Для чистоты эксперимента лучше всего обойтись без нее, то есть начать с обреза фундамента, со второй стадии.

Вторая по шестую стадии - тут должно быть все понятно. На протяжении этих стадий мы будем учитывать только нагрузку от собственного веса конструкций.

Создаем новый файл, выбираем "монтаж" и "загрузить проект". Выбираем нужный файл и сохраняем наш новый файл монтажа.

Начало положено, продолжаем. Чтобы продолжить максимально быстро я потратил массу времени для создания групп элементов согласно стадиям монтажа. Вот все стадии монтажа в режими экспресс просмотра.

Все, как в легкой стадии (ссылка где-то выше была). Инициализируем стадию, выделяем элементы, касающиеся этой стадии и добовляем их к текущей стадии монтажа специальной кнопкой. Затем формируем список загружений. Все это я проделывал до седьмой стадии добовляя лишь собственнй вес. В седьмой же - все остальные нагрузки. Никто вас не останавливает на каждой стадии монтажа добовлять другие нагрузки, например вес складируемого кирпича или опалубки. Можно рассмотреть другой вариант монтажа, на каждой стадии (со второй до шестой) добавить временную нагрузку на перекрытие 550 кг/м², это будет означать, что толко что залита плита перекрытия верхнего этажа и по стойкам передает собственный вес. Осталось все по сто раз перепроверить, особенно условия примыкания и переходим к РСУ. Лучше РСУ удалить и сделать по новый, потому что он оставляет старые и творит с ними. в общем я удалил и сделал по новому. Прилагаю РСУ обоих вариантов и немедля более не минуты приступаем к анализу.

Анализировать будем всё, чего могло каснуться наш "монтаж". Начнем с плит. Рассмотрим плиту первого этажа и последнеего, её армирование. Условимся, что монтаж один - это монтаж без учета давления собственного веса плиты через стойки опалубки на нижележащую, монтаж два - с её учётом. При анализе армирования первой плиты, самой нижней, разницы между первым и вторым монтажон обнаружено не было, разые что в 0,01 см², поэтому сравнивать схему будем с первым монтажом. Условимя шагом фоновой арматуры 200 мм и 10 диаметром, а также тремя или менее (может и более, но только ради наглядности) позициями дополнительной арматуры и для наглядности выбирем цвета светофора. Слева направа - схема, монтаж

Нижняя по X. Армирование "монтажа" серьезней. Вместо добавочной 10 получилась 12 да и несколько элементов не прошли по бетону в местах стыка перекрытия с колоннами.

Нижняя по Y. Они очень похожи, разница всего около 1 см², но элементы в тех же местах стыка перекрытия с колоннами не проходят.

Могу заверить, что подобное прослеживается по всем перекрытием. Другими словами при учете "монтажа" армирование перекрытия становится более "серьезным" и концентрация поперечной силы возникает в местах стыка колонны с плитой. Это, скорее всего, из-за учета деформаций в стадиях монтажа и потребует пересмотра решений капителей, толщин плит или узлов стыка в целом.

Пойдем далее по пластинчатым элементам - диафрагмы и лифтовой узел. Так же как и с плитами перекрытия разница между первым и вторым монтажом не существенна, если не сказать, что она отсутствует вовсе.

Ситуация также, но обратная, и поверьте мне на слово, с лифтовым узлом тоже самое. Армирование вертикальных элементов гораздо меньше.

Вот и добрались до стержневых элементов. Начнем с колонн. Разница среди разных версий монтажа по прежнему отсутствует и мы более не будет уточнять какая именно рассматривается, просто - монтаж. В прежнем стиле попарно симметричное армирование, сначала без, а затем с "монтажом".

Не вооруженным глазом видно более "плавное" что ли армирование. У некоторых колонн и вовсе пики арматуры в самом верху исчезли, у некоторых арматура распределилась более ровно. Результат на лицо. То же самое получилось и с балками. Пики армирование в местах стыка с колоннами исчезли или распределились.

Из выше изложенного эксперимента можно вынести то, что при желании можно доказать недостаточность или избыточность армирования использованием функции "монтаж". А если серьезно и относится к этому (к этой функции), доверительно - то можно упростить армирование стержневых элементов и предупредить недостаточное армирование в местах стыка колонн с перекрытиями (больное место и так с завидным постоянством, особенно в процессе строительства, что-то происходит, что-то отваливается и т.д.)

CADmaster

Технологии построения расчетных моделей и анализа результатов в системе SCAD Office. Модели металлокаркасов

Главная » CADmaster №4(24) 2004 » Архитектура и строительство Технологии построения расчетных моделей и анализа результатов в системе SCAD Office. Модели металлокаркасов

В настоящее время достаточно остро ощущается недостаток в литературе, посвященной практическим приемам построения расчетных моделей с использованием метода конечных элементов и, соответственно, использованию программных продуктов, реализующих этот метод. С другой стороны, развитие и внедрение средств автоматизации проектирования (в том числе расчетов) с неизбежностью приводит к появлению новых — зачастую оригинальных и неожиданных — подходов к решению, казалось бы, стандартных и давно всем известных задач. Надеемся, эта статья станет далеко не последней в серии материалов, посвященных практическим приемам и технологиям построения расчетных моделей и анализа результатов в среде программного комплекса SCAD Office. Приглашаем к разговору инженеров-практиков, использующих систему SCAD и желающих поделиться или обменяться опытом.

В этой статье мы рассмотрим подходы к построению расчетных моделей металлокаркасов на примере цеха непрерывной разливки стали. Не вдаваясь глубоко в конструктивные подробности, приведем основные характеристики здания:

Здание двухпролетное (25+31,5)х94 м.
Высота до низа несущих конструкций покрытия — 38,5 м.
Высота по коньку фонаря — 47,6 м.
Крановое оборудование — подвесные краны грузоподъемностью 10 тонн и мостовые краны грузоподъемностью 125 и 400 тонн.
Часть каркаса здания ниже подкрановых балок состоит из двухветвевых колонн.
Подкрановые балки коробчатого сечения.
На подкрановые балки опираются продольные фермы, к которым присоединяются поперечные фермы.

Общие виды расчетной модели здания в различных проекциях (в том числе и с отображением сечений элементов) представлены на рис. 1.

Рис. 1. Общий вид расчетной модели

Рассмотрим краткое описание расчетной модели, а затем более подробно остановимся на способах моделирования и расчета двухветвевой колонны.

Модель содержит 11298 узлов, 13701 элемент, 65718 неизвестных и 69 загружений. Время полного (статика, РСУ, комбинации, эквивалентные напряжения) расчета мультифронтальным методом на компьютере c процессором Pentium IV, 1,8 ГГц и 744 Мб ОЗУ составляет 21,35 мин., при этом выбор РСУ в системе SCAD осуществляется всего за 8 мин., что, на наш взгляд, очень быстро и говорит о продуманности алгоритмов, а также корректности их программной реализации, учитывая достаточно большое количество загружений. Предвидя вопросы о целесообразности построения пространственных моделей производственных зданий, отметим следующее:

Указанная модель строилась поэтапно сверху вниз. Вначале была построена и рассчитана модель поперечной фермы покрытия, затем модель поперечной рамы и лишь после этого строилась модель всего здания.
Пространственные модели зданий из металлокаркасов имеет смысл применять только при наличии в таком здании кранового оборудования. Модель позволяет учитывать включение в работу всего здания при воздействии тормозных нагрузок (кстати, об этом говорится во многих книгах, посвященных расчетам и проектированию металлических конструкций). На рис. 2 представлена картина деформированного состояния при воздействии тормозной крановой нагрузки на поперечную раму по оси 6 (отчетливо видно включение в работу всего каркаса здания за счет связей по покрытию и жесткости подкрановых балок).
При отсутствии крановых нагрузок и воздействии в поперечном направлении только ветровой нагрузки все рамы работают одинаково. Это позволяет ограничиться расчетом серии плоских моделей, отдельно рядовой рамы, рамы фахверка и связевого блока в продольном направлении.

Рис. 2. Картина деформированного состояния здания при воздействии тормозной крановой нагрузки вдоль оси 6

Все несущие конструкции, кроме подкрановых балок, смоделированы стержневыми элементами 5-го типа (пространственные стержни), а решетка колонн — элементами 4-го типа (стержни пространственных ферм). Подкрановые балки смоделированы оболочечными элементами 44-го типа, что позволяет учесть реальные размеры подкрановой балки сечением 2×3 метра из листовой стали толщиной 30 мм. Зона стыка подкрановой балки с колонной показана на рис. 3.

Рис. 3. Зона стыка подкрановой балки с колонной

Следует заметить, что в данном случае такой подход оказывается наиболее эффективным, поскольку позволяет напрямую анализировать напряжения в оболочках, используя различные теории прочности. Возможность вывода напряжений в MS Excel обеспечивает очень быстрый поиск наиболее нагруженных элементов. Полученная с помощью SCAD цветографическая картина распределения нормальных напряжений в подкрановой балке представлена на рис. 4. Классический для строителей подход — моделирование стержнями — вызывает затруднения как при построении расчетной модели, адекватной реальности, так и при анализе результатов: к напряжениям приходится переходить «вручную», через M, N, Q, что не только неудобно, но и сопряжено с риском совершения ошибок. Несколько отступая от рассматриваемой модели, отметим также, что использование оболочечных элементов позволяет с помощью модуля устойчивости, реализованного в системе SCAD, решать задачи потери устойчивости плоской формы изгиба сечений любой формы. Подобный расчет через формулы СНиП практически невозможен ввиду отсутствия данных по коэффициенту φ_b.

Рис. 4. Фрагмент цветового изображения напряжений Nx в стенке балки в центрах конечных элементов

Перейдем к рассмотрению модели двухветвевой колонны поперечной рамы, изображенной на рис. 5, и возможностям ее расчета с помощью системы SCAD.

Прежде чем выбрать способ построения расчетной модели в SCAD, необходимо определиться со следующими вопросами:

Какие виды проверок следует выполнить при расчете того или иного элемента конструкции?
Какие виды проверок могут быть автоматически реализованы в системе SCAD 1 ?
Какие виды проверок придется выполнять «вручную» или с помощью программ, работающих по принципу инженерного калькулятора (например, «Кристалл»), и какие для этого понадобятся исходные данные?

Рис. 5. Поперечная рама каркаса

Только получив ответ на все эти вопросы, следует приступать к построению расчетной модели или серии моделей, каждая из которых учитывает особенности рассчитываемого элемента конструкции.

Сначала подробнее рассмотрим устройство модели двухветвевой колонны, а затем покажем, какие виды проверок эта модель закрывает автоматически, и проведем сравнение с классическим подходом, представленным во всех учебниках по металлоконструкциям. На рис. 6 показан фрагмент модели с отображением типов конечных элементов, закреплений и объединений перемещений в узлах (к сожалению, рамки журнальной статьи не позволяют рассмотреть порядок построения такой модели).

Рис. 6. Фрагмент расчетной модели колонны

Модель устроена следующим образом:

Колонна смоделирована не в виде одного стержня, а так, как она выглядит в реальности: в виде двух ветвей и решетки.
Ветви колонны смоделированы стержневыми элементами 5-го типа с расстоянием между ними, равным расстоянию между центрами тяжести ветвей (2,5 м). При этом обе ветви представлены в виде сварных двутавров, заданных параметрическим способом назначения жесткостных характеристик. В реальности внешняя ветвь имеет сечение швеллера, но ее пришлось задавать эквивалентным по площади двутавром, поскольку в системе не реализована автоматическая проверка прочности параметрически заданных швеллеров.
Решетка смоделирована стержневыми элементами 4-го типа (элементы пространственной фермы). При этом наличие в узлах элементов 4-го типа только поступательных степеней свободы автоматически обеспечивает шарнирное присоединение элементов решетки к элементам ветвей. Следует отметить, что для моделирования решетки вполне возможно использовать и элементы 5-го типа, но при этом придется задавать шарниры в узлах элементов решетки.
Из соображений наглядности построения и визуализации модели элементы решетки разнесены от элементов ветвей на некоторое условное расстояние, принятое в данной модели равным фактическому расстоянию от оси колонны до оси решетки. Для обеспечения совместности деформаций узлы решетки объединены в группы объединения перемещений по поступательным степеням свободы. Решетка выполнена из уголка, заданного в расчетной модели путем выбора из сортамента металлопроката.
В модели, использованной для расчета на прочность и устойчивость, нижние узлы ветвей и решетки закреплены по всем направлениям.
Для расчета нагрузок на фундаменты в виде М, N, Q от всей колонны приходится использовать еще одну модель, в которой добавляются два горизонтальных элемента (на рис. 7 это элементы и 13724) и один вертикальный (элемент на рис. 7), расположенный строго по центру тяжести всей колонны с жесткостью заведомо большей, чем жесткость колонны. Среди инженеров, использующих такой подход при моделировании двухветвевых колонн, этот вертикальный элемент получил название «пенёк».

Рис. 7. Фрагмент расчетной модели колонны для получения нагрузок на фундаменты

В таблице 1 представлен требуемый перечень проверок для двухветвевой колонны и сопоставлена степень автоматизации работ при подходе к моделированию, описанном в этой статье, и при классическом подходе к построению модели в виде стержня с приведенными жесткостными характеристиками. Сравниваемые модели показаны на рис. 8.

Рис. 8. Две модели для расчета колонн. Модель (слева) представлена в этой статье; модель — классическая

Таблица: Сравнение степени автоматизации при различных способах построения расчетных моделей

Вид работ или проверки		Степень автоматизации расчета при использовании модели	Степень автоматизации расчета при использовании модели
1	Задание жесткостных характеристик элементов	Полная автоматизация путем выбора сечения из каталога металлопроката или задания с помощью параметрических сечений	Расчет приведенных жесткостных характеристик «вручную» или с помощью конструктора сечений, с последующим их численным заданием
2	Проверка по деформациям	Полная автоматизация	Полная автоматизация
3	Проверка прочности, устойчивости ветвей между узлами решетки и устойчивости всей колонны из плоскости изгиба	Полная автоматизация	Получение РСУ в виде M, N, Q c последующей «ручной» проверкой прочности и устойчивости
4	Проверка прочности и устойчивости элементов решетки от действующих нагрузок	Полная автоматизация	Получение РСУ в виде M, N, Q c последующим «ручным» расчетом усилий в элементах решетки и «ручной» проверкой их прочности и устойчивости
5	Проверка предельной гибкости ветвей и элементов решетки	Полная автоматизация	Полностью «ручной» расчет или расчет с использованием программы «Кристалл»
6	Проверка прочности решетки на Q_fic в соответствии с п. 5.8 СНиП II-23−81*	Полностью «ручной» расчет	Полностью «ручной» расчет
7	Проверка общей устойчивости двухветвевой колонны в плоскости изгиба как целого стержня	Полностью «ручной» расчет по значениям РСУ, полученным при расчете нагрузок на фундаменты, и расчетной длине, рассчитанной по СНиП	Полностью «ручной» расчет по значениям РСУ и расчетной длине, рассчитанной по СНиП

Вывод напрашивается сам собой. При грамотном подходе к разработке технологий создания расчетных моделей в системе SCAD возможно существенное сокращение сроков выполнения расчетов и повышение их достоверности. Под грамотным подходом здесь следует понимать более полное и продуманное использование возможностей, предоставляемых программным комплексом…

Мы почти ничего не сказали об интеграции системы в общий процесс проектирования и взаимодействии SCAD с другими системами (в первую очередь — с программами геометрического моделирования). Эта проблема, на наш взгляд, очень актуальна и вполне может стать темой одной из следующих статей.

Для этого нужно внимательно ознакомиться с главой 17 Руководства пользователя, где четко прописан набор проверок по СНиП II-23−81*, реализуемых в модуле проверки несущей способности стальных сечений. ↑

Какие виды проверок следует выполнить при расчете того или иного элемента конструкции?
Какие виды проверок могут быть автоматически реализованы в системе SCAD?
Какие виды проверок придется выполнять «вручную» или с помощью программ, работающих по принципу инженерного калькулятора (например, «Кристалл»), и какие для этого понадобятся исходные данные?

Читайте также: