В программе APM Structure3d реализовано Меню конструктивных элементов, которое выполняет проверки по критериям СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции», а также позволяет подбирать оптимизированное сечение. Рассмотрим особенности работы данной команды при расчете стальных конструктивных элементов, а также приведем пример построения и подбора конструктивных элементов фермы типа «Молодечно» пролетом 18 м.
В программе APM Structure3d предусмотрены два способа присвоения конечным элементам свойств конструктивных:
- внесение выделенных конечных элементов в новый конструктивный элемент;
- внесение выделенных конечных элементов в отдельные конструктивные элементы.
В первом случае выделенные конечные элементы образуют единый непрерывный конструктивный элемент, обладающий едиными свойствами. Новый конструктивный элемент, в состав которого входят несколько конечных элементов, рассчитывается по максимальным из значений внутренних силовых факторов, возникающих во входящих в него конечных элементах. Расчет поперечных сечений такого конструктивного элемента выполняется по наиболее неблагоприятным условиям, то есть принимается таким, чтобы обеспечить выполнение требуемых критериев для всех элементов, входящих в единый конструктивный элемент.
Во втором случае каждый из выделенных конечных элементов вносится в отдельный конструктивный элемент, обладающий уникальными (назначенными пользователем) свойствами. Отдельные конструктивные элементы, в состав которых может входить только один конечный элемент, рассчитываются по максимальным внутренним силовым факторам, возникающим в сечении конечного элемента. Расчет по подбору (проверке) поперечных сечений таких элементов выполняется уникальным для каждого отдельного конструктивного элемента на основании, возникающих в конечном элементе, входящем в отдельный конструктивный элемент, усилий.
Выбор способа учета расчетной длины элементов при выполнении расчетов конструктивных элементов осуществляется пользователем переключением соответствующей настройки в диалоге Стальные конструктивные элементы. Назначение расчетной длины выполняется указанием коэффициента расчетной длины или непосредственно значением расчетной длины. Данные параметры определяются согласно СП 16.13330.2017 Стальные конструкции.
При выборе параметра Коэффициент расчетной длины, указанные пользователем значения в соответствующих полях учитываются в качестве множителей к ФАКТИЧЕСКОЙ длине конструктивного элемента при выполнении расчетов!!!
В случае выбора параметра Расчетная длина, указанные пользователем значения в соответствующих полях, принимаются в качестве значений расчетных длин конструктивных элементов, используемых при выполнении расчетов.
Важно понять, что если элементы добавлены в отдельный конструктивный элемент и конструктивный элемент разбит на несколько конечных элементов, то задавать коэффициент расчетной длины некорректно. Коэффициент расчетной длины применяется к ФАКТИЧЕСКОЙ длине конечного элемента!
Для отдельных конструктивных элементов необходимо указывать полную расчетную длину проверяемого элемента!
Коэффициент условий работы
Коэффициент условий работы элементов стальных конструкций учитывается в качестве дополнительного множителя к расчетному сопротивлению материала. Данный параметр может быть назначен пользователем в соответствующем поле диалога Стальные конструктивные элементы, а также принят по таблицам СП 16.13330.2017 при нажатии кнопки, расположенной справа от поля ввода значения коэффициента условий работы. При нажатии вышеуказанной кнопки, открывается диалог Коэффициент условий работы, в которым пользователю необходимо выбрать требуемые значения, соответствующие СП 16.13330.2017.
Если ваш элемент не подходит ни под одно условие указанное в таблице СП, коэффициент условия работы равен единице.
Предельная гибкость
В поле Предельная гибкость задаются предельные значения гибкости рассчитываемых сжатых и растянутых элементов. Указанные параметры могут быть назначены пользователем в соответствующем поле ввода, а также выбраны по таблицам СП 16.13330.2017 при нажатии кнопок, расположенных справа от поля ввода значения предельной гибкости. При нажатии вышеуказанных кнопок, открывается диалог Предельные гибкости, в котором пользователю необходимо выбрать требуемые значения, в соответствии с СП 16.13330.2017, для сжатых и растянутых стальных элементов.
При активации флажка Учитывать гибкость при подборе сечения, указанные пользователем значения предельных гибкостей при сжатии и растяжении учитываются при подборе поперечного сечения, удовлетворяющего критериям СП 16.13330.2017.
Классическая проверка поперечных сечений
Активация флажка Проверка прочности и устойчивости классическими методами позволяет выполнить расчет на прочность и устойчивость в соответствии с известными подходами сопротивления материалов. Проверка прочности и устойчивости при активном флажке Проверка прочности и устойчивости классическими методами в соответствии с СП 16.13330.2017 не выполняется.
Расчет по подбору сечений конструктивных элементов
При выполнении расчета стальных конструктивных элементов, при неактивном состоянии флажка Подбирать сечение, программа выполняет проверочный расчет назначенных пользователем поперечных сечений.
Для корректной проверки по критериям СП 16.13330.2017, при расчете конструктивных элементов необходимо указать тип поперечного сечения. В случае, если сечение назначено пользователем из библиотеки сечений (базы данных программы), то тип сечения в соответствующем поле диалогового окна Стальные конструктивные элементы назначается автоматически.
Выполнение проектировочного расчета — подбор поперечных сечений, на основании рассчитанных силовых факторов, требует активации флажка Подбирать сечение. При этом необходимо указать путь к библиотеке, из которой необходимо осуществить подбор поперечного сечения элемента.
Нагрузки на конструктивные элементы
При выполнении расчетов стальных конструктивных элементов в поле Нагрузки необходимо указать нагрузки, в соответствии с которыми требуется выполнить расчет. Установкой флажка пользователь указывает необходимость выполнения расчета конструктивных элементов на основании результатов РСУ (расчетные сочетания усилий) или на основании выбранного в выпадающем списке загружения.
В качестве примера рассмотрим расчет и подбор сечений фермы типа «Молодечно» пролетом 18м. Все элементы фермы изготовлены из стали с расчетным сопротивлением 340 МПа.
Строим расчетную схему с помощью инструментов рисования.
Далее из библиотеки выбираем для всех элементов сечение — Кв. труба 40х2 ГОСТ 30245-2003.
Присвоить сечение стержням можно с помощью контекстного меню сечения, пункт Присвоить всем.
Задание свойств материала
Расчетное сопротивление материала задается в свойствах, доступных в дереве объектов, после выбора соответствующего материала.
Задание опор и нагрузок
Для задания опор используется команда Жесткая Опора. В крайнем левом узле задается запрет всех линейных перемещений, в крайнем правом — запрет линейных перемещений по X и Z.
Нагрузка задается в виде сосредоточенных сил в узлах верхнего пояса фермы. Сосредоточенная нагрузка может быть задана с помощью инструмента Сила к узлу, доступного на панели Нагрузки. Необходимо выбрать нужные узлы и воспользоваться данной командой. В поле Z для крайних узлов верхнего пояса задается значение -3.32 тс., для остальных узлов верхнего пояса -6.63 тс.
Задание конструктивных элементов
Настройки параметров расчета конструктивных элементов задаются в меню Проектирование либо с помощью вызова панели Конструктивные элементы
Для решения задачи подбора сечений выделим 4 основных группы элементов,
1. Верхний пояс фермы
2. нижний пояс фермы;
3. опорные раскосы;
4. решетка фермы.
Выделяем верхний пояс фермы, помещаем выделенные объекты в отдельные конструктивные элементы. При этом в качестве типа конструктивных элементов должны быть выбраны Стальные элементы. Аналогичную операцию проводим с другими группами элементов.
Отметим, что расчетные длины принимаются по таблице 24 СП 16.13330.2017 Стальные конструкции редакция от 31.05.2022 года
Расчетная длина в плоскости ХУ для стержней верхнего пояса равна расстоянию между узлами фермы, в данном случае lef.x=3015 мм. Из плоскости фермы расчетная длина стержней верхнего пояса определяется расстоянием между точками (узлами) закрепления горизонтальными поперечными связями по верхним поясам ферм- распорок. В данном случае lef.z=3015 мм.
Расчетные длины для нижнего пояса в плоскости ХУ равны расстоянию между узлами фермы, из плоскости фермы расчетная длина стержней нижнего пояса определяется расстоянием между точками (узлами) закрепления горизонтальными поперечными связями по нижним поясам ферм – распорками.
Участок с расчетными длинами lef.x=3000 мм lef.z=4500 мм
Участок с расчетными длинами lef.x=3000 мм lef.z=6000 мм.
По таблице 24 СП "Стальные конструкции" для опорного раскоса и раскосов решетки применяем коэффициент расчетной длины равный единице. Отметим, что для раскосов решетки фермы коэффициент расчетной длины равный единице принимается в запас.
Для всех созданных конструктивных элементов необходимо указать коэффициент условия работы и предельную гибкость, которая устанавливается по СП 16.13330.2017 в зависимости от рассчитываемого элемента конструкции. После чего необходимо включить опцию Подбирать сечение, и указать путь к библиотеке сечений, которые обычно находятся в папке установки программы. Для верхнего пояса следует выбрать библиотеку Труба прямоугольная ГОСТ 30245-2003.slb
Расчет и подбор сечений
Перед подбором сечений необходимо выполнить линейный статический расчет. Линейный статический расчет запускается с помощью диалога Расчет, вызываемого из меню Расчеты, пункт Расчет. В диалоге необходимо отметить пункт Линейный статический расчет и нажать кнопку Расчет. Настройки расчета принимаются со значениями по умолчанию.
Расчет конструктивных элементов и подбор сечений осуществляется в диалоге, вызываемом с помощью команды Конструктивные элементы. В диалоге необходимо нажать кнопку Расчет для всех для запуска расчета. В ходе расчета будут подобраны сечения, чтобы присвоить подобранные сечения конечным элементам, необходимо нажать кнопку Заменить сечение. Для ферм принято подбирать не более 4-6 различных сечений элементов. После выполнения оптимизации для рассчитываемой фермы подобраны следующие сечения.
Следует отметить, что усилия в элементах перераспределятся из-за изменения их жесткости, поэтому необходимо повторить линейный статический расчет, а затем повторить расчет конструктивных элементов.
Выводы:
1) Помещать элементы в новый конструктивный элемент советуем в крайних случая, а в основном пользоваться командой поместить выделенные объекты в отдельный конструктивный элемент.
Во-первых, это позволит избежать ошибок в задании параметров конструктивного элемента (к примеру, пользователи помещают все колонны в Новый конструктивный элемент, что является ошибкой)
Во-вторых, в случае неудовлетворительной проверки по критериям СП вам будет легче оценить критическое сечение и разобраться в причинах невыполнения условий.
2) Необходимо быть внимательным к заданию коэффициента расчетной длины для разбитых элементов при помещении их в отдельные конструктивные элементы. Коэффициент расчетной длины выступает множителей к фактической длине конструктивного элемента при выполнении расчетов (к примеру, для разбитой колонны на 5 частей длинной 3 м, при помещении ее в отдельные конструктивные элементы задавать коэффициент расчетной длины некорректно. В данном случае задать коэффициент расчетной длины возможно только при определении элемента в Новый конструктивный элемент)
3) После подбора сечений элементов необходимо заново выполнить статический расчет и проверку конструктивных элементов! Процесс может занять несколько итераций до полной сходимости результатов проверки.
