Современные архитектурные решения каждый день бросают вызов инженерам-конструкторам, одной из таких задач является – вантовое остекление. С помощью такой конструкции возможно создание полностью прозрачной поверхности на весьма большое пролетное расстояние. Конструкция работает только с предварительным натяжением каната, в качестве нагрузки выступает вес собственный, вес стекла (возможно обледенение) и ветер! Силой натяжения регулируется горизонтальный прогиб конструкции. В конструкции регламентируется прогиб и несущая способность каната. Решить задачу аналитически (вручную) непросто, есть разные теории расчета, но прямых указаний нормативных документов нет. На помощь, как всегда, приходят программные средства МКЭ (метод конечных элементов). В расчётной программе ЛИРА 10.6 есть решение и для такой конструкции.
Конструкция будет состоять из двух типов конечного элемента: КЭ 308 – фаркоп (для моделирования натяжения) и КЭ-304 – нить (для моделирования каната). Оба элемента – геометрически нелинейны, поэтому для их решения нужно активировать соответствующий модуль.
Рассмотрим алгоритм работы нелинейных элементов на примере натяжения одного каната по вертикали, и последующего нагружения его распределенной нагрузкой. Пусть, длина каната будет равна 10 м, с одной стороны устанавливается устройство по его натяжению (программно это будет крайний конечный элемент каната КЭ-308, длина которого зависит от нескольких факторов, в конце статьи к этому вернемся). На рис.1 изображена модель каната с установленным конечным элементом для создания натяжения. В качестве исходных данных вводятся жесткостные характеристики, которые расположены во вкладке «специальные сечения»: канат (для КЭ 304) и фаркоп (для КЭ 308). В параметрах жёсткости фаркоп необходимо задать жесткость (произведение модуля упругости материала каната на сечение) и Растяжение (предел прочности элемента при растяжении). В нашем примере используем канат профиля 3.4, площадь которого равна 0,0683 см2. Модуль упругости каната равен 1,7*107тс/м2, получаем жесткость 116.3тс. Значения растяжения устанавливаем, как правило, большого значения, в таком случае расчет не будет искажаться при достижении в элементе такого усилия. Сечение каната выбираем в представленном заказчиком каталоге. Материал обоим типам элементов не нужен. Для последующей проверки по нормам канату можно присвоить параметр конструирования «топология канатов».
Следующим этапом необходимо создать историю нелинейного загружения, включающую стадии загружений, в нашем примере их будет две. В параметрах выбора метода шага для всех стадий необходимо установить «Автоматический выбор шага». Данная опция позволит программе самостоятельно определить величину шага дробления нагрузки, если стадию разбить на шаги одинакового размера, получим погрешность при разложении матрицы.
Далее переходим к назначению нагрузок. Активным загружением выставляем первую стадию и задаем натяжение. Нагрузка находится в библиотеке загружений – нагрузка на стержень – натяжение. Значение присваивается в тоннах. Далее устанавливаем активным загружение второй стадии и присваиваем распределённую нагрузку на элемент каната. В реальной схеме, например, для расчета фасадного остекления стадии можно разбить по следующим этапам загружений: сперва натяжение, затем добавление веса стекольных панелей в узлах крепления, далее приложение ветровой нагрузки или гололедной. В нашем примере закрепление модели в двух крайних точках по всем направлениям. Производим расчет!
Первым критерием, на который мы обратим внимание после расчета – продольное усилие каната на последнем шаге натяжения. Оно должно быть равно величине силы натяжения.
Далее следует смотреть на величину деформации узла каната, граничащего с фаркопом, величина перемещения не может быть больше длины элемента фаркопа, иными словами, длина элемента фаркопа должна быть достаточной, что бы он в момент натяжения не исчерпал своей длины. После можем переходить к анализу деформаций от распределенной нагрузки – перемещение узлов в горизонтальном направлении. Здесь критерием проверки может стать только аналитическое решение (кому интересно, порекомендую литературу). Для эксперимента можно варьировать силой натяжения, и убедится, что действительно от нее будет завесить величина горизонтальной деформации.