ККЛ ИЗО. Конспект лекций. Саморядов С. В. Маси. М. 2017. с. 138, ил таб
 Скачать 4.07 Mb.
|
|
ТЕМА 3. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ. ОБЗОР ОСНОВНЫХ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 3.1 Общие сведения о строительных конструкциях зданий и сооружений Каждое здание (сооружение) состоит из отдельных взаимосвязанных структурных частей (конструктивных элементов). Строительные конструкции можно классифицировать: по геометрическому признаку (массивы, брусья, плиты и оболочки и т. д.); с точки зрения статики конструкции (статически определимые и статически неопределимые); по используемым материалам (стальные, деревянные, бетонные и т.д.); по функциям, которые «несут» конструкции (фундаменты, стены, отдельные опоры, перекрытия, крыши (покрытия), лестницы и т. д.); по восприятию нагрузки и воздействий (несущие конструкции, ограждающие конструкции). Материалы для строительных конструкций: природные каменные материалы, стекло и плавленые каменные изделия, строительная керамика, неорганические вяжущие вещества, бетоны, строительные растворы, металлические материалы и изделия, сборные железобетонные изделия и конструкции, силикатные изделия, древесные материалы и изделия, теплоизоляционные материалы и изделия, органические вяжущие вещества и материалы на их основе, полимерные материалы и изделия, композиционные строительные материалы, лакокрасочные материалы, акустические материалы, помимо этого строительные материалы можно разделить на конструкционные, изоляционные и отделочные. Наиболее распространены в качестве конструкционных материалов, т. е. применяются для несущих конструкций: сталь, железобетон, древесина и кирпич (камень). Материалы для проектируемых конструкций принимаются с учетом 26 рекомендаций строительных норм и правил (СНиП), указания которых детализируются соответствующими сводами правил (СП). Строительные нормы и правила, по которым производится расчет строительных конструкций, состоят из нескольких глав в соответствии с рассматриваемым материалом: СНиП 11-23-81* «Стальные конструкции»; СНиП11-24-74 «Алюминиевые конструкции»; СНиП 11-25-80 «Деревянные конструкции»; СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения»; СНиП 11-22-81 «Каменные и армокаменные конструкции». Рисунок 3.1 - Классификация строительных конструкций 3.2 Требования к строительным конструкциям Любая конструкция здания должна, прежде всего, соответствовать своему назначению, т. е. обладать необходимыми эксплуатационными качествами, создавая наилучшие условия для быта и труда людей и протекания производственного процесса. Конструкции здания должны быть прочными, жесткими, устойчивыми, 27 долговечными, удовлетворять санитарно-гигиеническим, противопожарным, экономическим и архитектурным требованиям: 1. Прочность- способность воспринимать силовые нагрузки и воздействия без разрушения. Понятие прочности можно определить как неразрушаемость конструкции в течение всего периода ее эксплуатации. 2. Устойчивость- способность конструкции сохранять равновесие при силовых нагрузках и воздействиях. Устойчивость -это сохранение формы конструкции. Так, в случае потери устойчивости конструкция, которая до приложения нагрузки имела одну форму, например, прямолинейную, после приложения нагрузки принимает другую — криволинейную. Деформации, возникающие при потере устойчивости, в отличие от изгиба, как правило, не совпадают с плоскостью действия нагрузок. 3. Жесткость - способность конструкции осуществлять свои статические функции с малыми заранее заданными величинами деформации.Когда говорят о жесткости конструкции, прежде всего, имеют в виду сопротивляемость деформациям, например, прогибам или поворотам сечения. Такие деформации происходят в направлении действия нагрузок. Если они превосходят какие-то значения, установленные нормами, то говорят о недостаточной жесткости или чрезмерной гибкости. 4. Долговечность - предельный срок сохранения физических качеств конструкции здания в процессе эксплуатации. 5. Огнестойкость. Здания по огнестойкости разделяют на 5 степеней, причем I степень соответствует наибольшей огнестойкости, V - наименьшей. Требуемая степень огнестойкости связана с типом здания или сооружения, его конструкциями. 6. Капитальность. Все здания и сооружения по капитальности делят на 4 класса в зависимости от требований к долговечности и огнестойкости основных конструкций, а также к эксплуатационным качествам. К I классу 28 относят уникальные здания и сооружения, удовлетворяющие наиболее высоким требованиям, а к IV классу - здания и сооружения с минимальными требованиями по долговечности, огнестойкости и эксплуатационным качествам. 7. Архитектурно-художественная выразительность. Кроме перечисленных требований конструкции должны придавать зданию, сооружению архитектурно-художественную выразительность. 8. Восприятие силовых и другие воздействий, передача их на нижележащие конструкции. «Строительные конструкции» главным образом, рассматриваются, как несущие конструкции зданий и сооружений, которые воспринимают воздействия (нагрузки) и затем передают их на фундаменты и на грунт. Несущие конструкции должны отвечать требованиям, предъявляемым к самим зданиям и сооружениям в отношении долговечности, огнестойкости, индустриальности, унификации и др. 9. Надежность. Не останавливаясь на подробном описании всех предъявляемых к конструкциям требований, ограничимся рассмотрением такого свойства, как надежность, т. е. способность конструкции сохранять свои эксплуатационные качества в течение всего срока службы сооружения, а также в период ее транспортирования с завода на строительную площадку и в момент монтажа. Главным показателем надежности несущей конструкции является безопасная (безаварийная) ее работа под действием внешних нагрузок и различных воздействий, возникающих при эксплуатации (температурных, коррозионных, сейсмических и др.). С понятиями надежности и безопасной работы конструкций тесно связаны такие более частные проявления этих свойств, как прочность, жесткость и устойчивость, которые относятся как к зданиям и сооружениям в целом, так и к отдельно взятым несущим конструкциям. 29 3.3 Основы расчета строительных конструкций Общие понятия Методы расчета строительных конструкций: 1. Метод расчета по предельным состояниям; по допускаемым напряжениям; по разрушающим нагрузкам. 2. Статистический расчет строительных конструкций. Развитие метода предельных состояний на основе статистического подхода. 3. Оценка прочности строительных конструкций при простом и сложном напряженных состояниях. 4. Численные методы расчета, в том числе: метод конечных элементов. 5. Расчет строительных конструкций за пределом упругости на основе теории пластичности и теории малых упругопластических деформаций. Простое нагружение. Разгрузка. Идеальный упругопластический материал и условие текучести. Экстремальные вариационные принципы. Изгиб балок из упругопластического материала. Предельное состояние неразрезных балок и рам. Шарниры пластичности. Совместное действие нескольких силовых факторов и внешней среды. 6. Расчет конструкций из композитных материалов. Особенности расчета конструкций из композитных материалов. 7. Расчет конструкций с учетом образования трещин, в том числе на примере железобетона. Перераспределение усилий в статически неопределимых системах, работающих за пределом упругости, адаптация строительных конструкций. 8. Расчет устойчивости строительных конструкций. Критерии устойчивости. Потеря устойчивости как предельное состояние. Устойчивость сжатых и сжато-изогнутых стержней за пределом упругости. За критическое поведение стержня в системе. 9. Расчет конструкций с учетом физической и геометрической нелинейности. 10. Расчет конструкций из материалов, свойства которых изменяются 30 во времени. Основные модели и уравнения теории ползучести для различных материалов. Устойчивость сжатых и сжато-изогнутых стержней при ползучести. 11. Расчет строительных конструкций на динамические нагрузки. Свободные и вынужденные колебания упругих систем. Диссипативные свойства конструкций и их учет при расчете на динамические нагрузки. Особенности расчета конструкций на сейсмические нагрузки. 13. Расчет конструкций на воздействие климатической и технологической температуры. 14. Расчет звукоизоляции и сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций. 3.4 Расчет строительных конструкций по предельным состояниям Метод расчета строительных конструкций по предельным состояниям имеет своей целью не допустить наступления ни одного из предельных состояний, которые могут возникнуть в конструкции (здании) при их эксплуатации в течение всего срока службы, а также при их возведении. 31 Расчет по первой, группе предельных состояний выполняется с целью предотвращения разрушения конструкций (расчет по прочности), потери устойчивости формы конструкции (расчет на продольный изгиб) или ее положения (расчет на опрокидывание или скольжение), усталостного разрушения (расчет на выносливость). Расчет по первой группе предельных состояний является основным и используется при подборе сечений. Расчет по второй группе предельных состояний имеет цель не допустить развитие чрезмерных деформаций (прогибов), исключить возможность образования трещин в бетоне или ограничить ширину их раскрытия, а также обеспечить в необходимых случаях закрытие трещин после снятия части нагрузки. При расчетах по предельным состояниям первой и второй групп в качестве главного прочностного показателя материала устанавливается его сопротивление, которое может принимать нормативные и расчетные значения. САПР расчетов на прочность Современные здания и сооружения – сложные объекты, начиненные большим количеством механизмов и систем обеспечения жизнедеятельности, поэтому важным является вопрос их эксплуатационной надежности, к которому традиционно относятся требования обеспечения прочности, жесткости и устойчивости объекта. Наиболее полную картину поведения здания при различных воздействиях можно построить на основе аппарата математического моделирования. Сегодня наиболее распространенным математическим аппаратом для численного моделирования поведения здания при различных видах воздействия является метод конечных элементов (МКЭ). Название метода отражает его главную идею – представление конструкции как совокупности отдельных конечных элементов, соединенных 32 между собой в узлах, в которых приложены внешние силы и приведенные к ним иные воздействия. Развитие метода конечных элементов и качественный скачок вычислительной техники послужили импульсом к разработке различными фирмами универсальных, достаточно быстрых и удобных для пользователя пакетов прикладных программ конечно-элементного анализа. Такие системы называют также системами инженерного анализа – CAE- системами (Computer Aided Engineering). Современные программные средства CAE позволяют решать широкий спектр задач анализа линейной и нелинейной статики и динамики, устойчивости, теплопередачи, акустики, оптимизации конструкции и многие другие. Ведущими зарубежными CAE-системами в настоящее время являются AN-SYS (Ansys Corporation, США), ABAQUS (ABAQUS Inc., США), Cos- mosDesignSTAR (Structural Research & Analysis Corporation, Франция), Design Works (фирма CADSI), ROBOT Millenium (RoboBAT, Франция). Из программных средств, адаптированных к российским СНиП, наиболее известные комплексы – SCAD (SCAD Soft, Россия ЛИРА StarkES, EuroSoft, Россия). Программы имеют различный интерфейс, постоянно совершенствуются, создаются новые приложения, однако принципы моделирования задач на любых комплексах сходны. Работа в любой программе по инженерному анализу делится на три основных этапа: препроцессирование или подготовка расчетной модели, решение задачи средствами и методами, заложенными в расчетный комплекс и постпроцессирование или анализ результатов. Расчетную модель строят на основе геометрических размеров и топологии архитектурной части проекта. Естественно, что расчетная схема не является копией архитектурного решения, однако основные размеры, привязки колонн и несущих стен, очертания перекрытий, положение проемов 33 и отверстий во многом повторяют заданное архитектором. Расчетная модель может быть создана в какой-нибудь архитектурной системе (ArchiCAD, МАЭСТРО, ALLPLAN) путем удаления из точной геометрической модели тех конструктивных элементов, которые не оказывают существенного влияния на результаты анализа. Расчетная модель передается в пакет анализа при помощи стандартных интерфейсов. Отдельные пакеты инженерного анализа имеют внутренние средства построения геометрической модели, с помощью которых может быть решена задача моделирования простых форм. В этап препроцессирования, кроме построения геометрии модели, входит также разбивка области моделирования выбранным типом конечных элементов, задание физико-механических характеристик материалов и сведений о нагрузках. Постпроцессирование заключается в получении результатов расчѐтов в виде схем перемещений и прогибов, эпюр, изолиний и изополей. Кроме этого, современные расчетные комплексы позволяют провести экспертизу элементов строительных конструкций, подобрать размеры поперечных сечений, арматуру, проектировать деревянные, каменные конструкции, определить действующие на конструкцию нагрузки, рассчитывать узлы и соединения и др. Результаты можно вывести как в графическом виде, так и в виде таблиц, которые можно затем экспортировать, например, в программы MS Word или MS Excel. Для статических и динамических загружений во многих комплексах предусмотрена возможность анимации процесса деформирования схемы и записи этого процесса в формате видеоклипа (*.avi). 34 Рисунок 3.2 - Пример расчета деформаций конструкций по программе «КАТРАН» (МИИТ) 3.5 Нагрузки и воздействия Нагрузки подразделяются по воздействию на конструкцию: силовые воздействия; не силовые воздействия (переменная температуры наружного воздуха, атмосферная и грунтовая влага и т. д.). По характеру прикладываемой нагрузки (объемные, поверхностные: сосредоточенные и распределенные: погонные и по площади). По продолжительности прикладываемой нагрузки: постоянные и временные: длительные, кратковременные, особые и т. д. Классификация нагрузок, действующих на строительные конструкции приведена в главе СП 20.13330.2011. Все нагрузки могут принимать нормативные и расчетные величины (значения). Нормативные нагрузки: сосредоточенные нормативные нагрузки (силы); нагрузки, распределенные по площади или по длине элемента (погонные нагрузки) - нормативные распределенные нагрузки. Расчетные нагрузки определяются как произведение нормативной нагрузки на коэффициент надежности по нагрузкам, который учитывает возможность отклонения нагрузок в неблагоприятную сторону от нормативных значений. 35 Нормы предписывают, как следует учитывать совместное действие нагрузок, при этом в зависимости от состава учитываемых нагрузок должны различаться: а) основные сочетания нагрузок, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок; б) особое сочетание нагрузок, состоящее из постоянных, длительных, возможных кратковременных и одной из особых нагрузок. При основном сочетании, если принята одна кратковременная нагрузка, она принимается без уменьшения. Единицы измерения, принятые в настоящее время для расчетов строительных конструкций, определяются строительными нормами СН 528- 80 «Перечень единиц физических величин, подлежащих к применению в строительстве». При расчете возникает необходимость перевода единиц измерения. Обычно нагрузки, силы определяются в кН. 36 ТЕМА 4. РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Воздействие нагрузок приводит как к деформированию отдельных элементов, так и самого сооружения в целом. Расчетом и теоретической оценкой результатов их воздействия занимается механика деформированного твердого тела. Частью этой науки является прикладная механика (сопротивление материалов), занимающаяся расчетом простейших сооружений или их отдельных элементов. Другая ее часть – строительная механика уже позволяет рассчитывать разные и весьма сложные многоэлементные сооружения. Механика деформированного твердого тела широко используются методы теоретической механики, изучающей равновесие и движение твердых тел, условно принимаемых за абсолютно твердые. Для правильного расчета сооружений следует правильно применять общие законы механики, основные соотношения, учитывающие механические свойства материала, условия взаимодействия элементов, частей и основания сооружения. На этой базе формируются расчетная схема сооружения в виде механической системы и ее математическая модель как система уравнений. Чем подробнее изучаются внутреннее строение сооружения, действующая на него нагрузка и особенности материала, тем сложнее становится его математическая модель. На следующей схеме (рис. 4.1) показаны основные факторы, влияющие на особенности расчета сооружения. 37 Рисунок 4.1 – Факторы, учитываемые при проектировании В классической строительной механике рассматриваются только стержневые системы. Однако практические потребности предопределили появление новых, специальных курсов строительной механики, где рассматриваются нестержневые системы Так как предметом строительной механики является изучение прочности и жесткости инженерных конструкций, поэтому, как правило, для изучения этих свойств обычно достаточно рассмотреть ее упрощѐнную схему, c определенной точностью отражающую действительную работу последней. Упрощенная модель сооружения называется расчетной схемой. В зависимости от требований к точности расчѐта для одной и той же конструкции могут быть приняты различные расчѐтные схемы. Расчетная схема, представленная в виде системы элементов, называется системой. В расчетной схеме стержни заменяются их осями, опорные устройства – идеальными опорными связями, шарниры предполагаются также идеальными (в которых отсутствует трение), усилия на стержни принимаются через центры шарниров. Любое сооружение представляет собой пространственный объект. Действующая на него внешняя нагрузка также является пространственной. Значит, и расчетную схему сооружения надо выбирать как пространственную. Однако такая схема приводит к сложной задаче 38 составления и решения большого числа уравнений. Поэтому реальное сооружение (рис. 4.2, а) стараются привести к плоской системе (рис. 4.2, б). Рисунок 4.2 - Переход к расчетной схеме от конструктивной Выбор и обоснование расчетной схемы – задача чрезвычайно ответственная, сложная, требующая высоких профессиональных навыков, опыта, интуиции, в определенной мере – искусства. Особенностью выбора расчетной схемы состоит диалектическая противоречивость задачи. С одной стороны, естественно желание учесть в расчетной схеме как можно большее число факторов, определяющих работу сооружения, так как в таком случае модель становится близкой к реальному сооружению. В то же время стремление учесть множество факторов, среди которых есть и основные и второстепенные, перегружают математическую модель, она становится чрезмерно сложной, для еерешения потребуются большие затраты времени, применение приближенных методов, что в свою очередь может увести далеко от реальной картины. Актуальны и по сей день рекомендации С. П. Тимошенко в отношении процесса вычислений·, которые можно перенести и на выбор расчетной схемы: "...Можно считать заведомо неточно, а лишь приближенно. Нужно только точность вычислений согласовать с необходимой для приложений точностью результатов". Следует отметить, что для одного и того же сооружения можно выбирать разные расчетные схемы. Выбор хорошей расчетной схемы приводит к экономии вычислений и точности результатов расчета. Расчетные схемы сооружений можно классифицировать по-разному. 39 Например, различают плоские и пространственные расчетные схемы, расчетные схемы по типу или способу соединения элементов, по направлению опорных реакций, по статическим и динамическим особенностям и т. д. Можно попытаться выделить следующие основные моменты процедуры выбора расчетной схемы: – идеализация свойств конструкционных материалов путем задания диаграммы деформирования, т. е. закона связи напряжений и деформации при нагружении; – схематизации геометрии конструкции, состоящая в представлении ее в виде набора одно- двух- и трехмерных элементов, тем или другим образом связанных между собой; – схематизация нагрузки, например, выделение сосредоточенной силы, распределенной и т. д.; – ограничение на величину возникающих в конструкции перемещений, например, по сравнению с размерами конструкции. На практике широкое распространение получили стандартные расчетные схемы – стержни и системы из них, плиты, оболочки, массивы т.д. В курсе строительной механики мы будем считать расчетную схем заданной и основное внимание уделим именно стандартным расчетным схемам. Расчетная схема конcтpyкции cоcтоит из условных элементов: стержней, пластинок, соединенных между собой в узлах связями (с помощью сварки, болтов, заклепок и т. д.) и включает также условно представленные нагрузки и воздействия. Часто эти элементы и их группы можно c достаточной степенью точности считать абсолютно жѐсткими телами. Такие тела в плоских системах называют жѐсткими дисками, а в пространственных системах жѐсткими блоками. 40 Используются элементы разных типов: 1) стержни– прямые или криволинейные элементы, поперечные размеры a и b которых намного меньше длины l(рис. 1.3, а, б, в). Основное назначение стержней восприятие осевых сил (растягивающих и сжимающих), а также изгибающих и крутящих моментов. Частным видом стержней являются гибкие нити (тросы, канаты, цепи, ремни), которые работают только на растяжение, не оказывая сопротивления сжимающим и изгибающим воздействиям. Из стержней состоят расчетные схемы большинства инженерных конcтpyкций: ферм, арок, ром, пространственных стержневых конcтpyкций и т. д.; 2) плиты – элементы, толщина которых t меньше остальных размеров a иb; плиты могут быть прямыми (рис. 4.3, г), и кривыми в одном или двух направлениях (рис. 4.3, д, е). Плиты воспринимают усилия в двух направлениях, что в ряде случаев наиболее выгодно и это приводит к экономии материалов. Расчѐт плит и систем, составленных из них, значительно сложнее расчѐта стержневых систем; 3) массивные тела - элементы, все три размера которых одного порядка (рис. 4.3, ж). Рисунок 4.3 - Расчетные элементы конструкций 41 Простейшие сооружения, состоящие из таких элементов, можно подразделять на следующие типы – стержневые сооружения (рис. 4.4, а, б), складчатые сооружения (рис. 4.4, в), оболочки (рис. 4.4, г) и массивные сооружения − подпорные стенки (рис. 4.4, д) и каменные своды(рис. 4.4 е). Рисунок 4.4 - Виды строительных конструкций по расчетным схемам Современные строители научились возводить очень сложные сооружения, состоящие из разнообразных элементов различной формы и типа. Например, достаточно распространенным является сооружение, у которого основание массивное, средняя часть может состоять из колонн стержневого типа и плит, а верхняя часть − из плит или оболочек. 42 Рисунок 4.5 - Расчетные схемы балок 43 Рисунок 4.6 - Расчетные схемы рам 44 Рисунок 4.7 - Расчетные схемы арок 45 Рисунок 4.8 - Расчетные схемы стоек Рисунок 4.9 -Основные виды сводов: а –гладкий, б-ребристый, в, г, д – сомкнутые, е-зеркальный, ж-цилиндрический с распалубками, з-крестовый |