ККЛ ИЗО. Конспект лекций. Саморядов С. В. Маси. М. 2017. с. 138, ил таб
 Скачать 4.07 Mb.
|
|
ТЕМА 7. ПРОГРАММЫ ДЛЯ РАСЧЕТА ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ Расчет и проектирование деревянных конструкций Программы для проектирования зданий и сооружений RSTAB и RFEM идеально подходят для расчета и проектирования деревянных конструкций 2D или 3D, таких как балки, неразрезные балки, рамы, решетчатые фермы, балки из перекрестно-ламинированной древесины, многослойные деревянные панели, деревянные каркасные дома, мосты, башни и другие. Если вы проектируете балочные конструкции или элементы поверхностей, такие как перекрестно ламинированные деревянные плиты, вы найдете различные возможности для расчета простых и сложных конструкций. Рисунок 7 - Элементы деревянных конструкций RFEM - функциональная, удобная, интуитивная программа RFEM это обширная 3D-программа для МКЭ, позволяющая инженерам соблюсти все требования современного строительства. Эффективная технология ввода данных и интуитивно понятное управление облегчают моделирование как простых, так и сложных конструкций. Программа для расчета конструкций RFEM является основой модульного программного комплекса. Базовая программа RFEM используется для задания конструкций, материалов и нагрузок для плоских и пространственных конструктивных систем, состоящих из плит, стен, 63 оболочек и стержней. Возможно создание комбинированных конструкций, а также моделирование объемных и контактных элементов. В программе RFEM рассчитываются деформации, внутренние силы, напряжения, опорные реакции, а также контактные напряжения основания. Дополнительные модули облегчают ввод данных путем автоматического создания конструкций и соединений либо могут выполнять дальнейший анализ и моделирование в соответствии с различными стандартами. BIM-проектирование Благодаря широкому спектру интерфейсов RFEM обеспечивает идеальное взаимодействие с программами САПР и расчета конструкций в информационном моделировании зданий (BIM). Например, существует двусторонний обмен данными между RFEM и программами Tekla Structures, Revit Structure, Bentley ISM. 3D проектирование и расчет по МКЭ Программа для расчета конструкций RFEM является основой модульной системы программного обеспечения. Основная программа RFEM применяется для задания конструкций, материалов и нагрузок для плоских и пространственных систем конструкций, состоящих из плит, стен, оболочек и стержней. Программа также позволяет создавать составные конструкции и моделировать тела и контактные элементы. Рисунок 7.2 - Арочные системы 64 Расчет и проектирование рамных и балочных конструкций Программа для расчета и проектирования балочных конструкций RSTAB содержит тот же набор функций, как и RFEM, но с акцентом на балочные и каркасные конструкции. Она легка в пользовании и в течение многих лет была главным выбором при расчете и проектировании деревянных конструкций. Программа RSTAB для 3D-расчета является идеальным инструментом для проектирования балочных конструкций из стали, железобетона, древесины, алюминия и других материалов. С RSTAB вы можете легко и быстро задать модель конструкции, а затем рассчитать внутренние силы, деформации и опорные реакции. Для дальнейших расчетов мы предлагаем различные дополнительные модули, учитывающие характеристики определенных материалов и требования специальных нормативов. Рисунок 7.3 - Стержневые системы Расчет деревянных стержней по различным нормативам Следующие дополнительные модули выполняют все характерные расчеты деревянных конструкций по предельным состояниям несущей способности и пригодности к эксплуатации, а также расчет на устойчивость. 1. RF-/TIMBER Pro (включая огнестойкость) в соответствии с EN 65 1995-1-1 (Еврокод 5) и SIA 265 (швейцарская норма). 2. RF-/TIMBER AWC (включая огнестойкость) в соответствии с ANSI/AWC NDS-2012 и ANSI/AWC NDS-2015 (американские нормы). 3. RF-/TIMBER CSA в соответствии с CSA 086-14 (канадская норма). 4. RF-/TIMBER NBR в соответствии с NBR 7190:1997 (бразильская норма). 5. RF-/TIMBER SANS в соответствии с SANS 10163-1:2003 и SANS 10163-2:2001 (южноафриканские нормы). Дополнительный модуль RF-/TIMBER Pro к RFEM/RSTAB Дополнительный модуль RF-/TIMBER Pro выполняет расчет напряжений и расчеты деревянных стержней на устойчивость, по предельным состояниям по пригодности к эксплуатации и на огнестойкость по EN 1995-1-1 (EC 5), SIA 265 и DIN 1052. Для расчета по EC 5 доступны многочисленные Национальные приложения. Дополнительный модуль RF-/TIMBER AWC к RFEM/RSTAB Дополнительный модуль RF-/TIMBER AWC может выполнять расчеты по предельным состояниям по несущей способности и пригодности к эксплуатации и расчет на огнестойкость по американской норме ANSI/AWC NDS-2012 и ANSI/AWC NDS-2015. Модуль включает следующие методы расчета: - расчет по коэффициентам нагрузок и прочности (LRFD); - расчет по допустимым напряжениям (ASD). 66 Дополнительный модуль RF-/TIMBER CSA к RFEM/RSTAB Дополнительный модуль RF-/TIMBER CSA может выполнять расчеты по предельным состояниям по несущей способности и пригодности к эксплуатации по канадской норме CSA 086-09 и CSA 086-14. Модуль включает следующие методы расчета: - расчет по предельным состояниям (LSD). Дополнительный модуль RF-/TIMBER NBR к RFEM/RSTAB RF-/TIMBER NBR для выполнения расчета по предельным состояниям по несущей способности и пригодности к эксплуатации по бразильской норме для расчета деревянных конструкций NBR 7190:1997. Дополнительный модуль RF-/TIMBER SANS к RFEM/RSTAB Дополнительный модуль RF-/TIMBER SANS выполняет расчеты на предельное состояние по прочности и пригодности к эксплуатации, а также на огнестойкость в соответствии с южноафриканскими нормами для деревянных конструкций SANS 10163-1:2003 и SANS 10163-2:2001. Дополнительный модуль RF-LAMINATE к RFEM Дополнительный модуль RF-LAMINATE применяется для расчета напряжений и прогибов ламинированных и многослойных поверхностей. Модуль является отличным инструментом для расчета, среди прочего, плит из клееной многослойной древесины с поперечным расположением слоев. Дополнительный модуль RF-/JOINTS Timber - Steel to Timber к RFEM/RSTAB Дополнительный модуль RF-/JOINTS Timber - Steel to Timber проектирует соединения, косвенно связанные посредством стальных пластин. Доступны следующие крепежные элементы типа дюбелей: дюбели, 67 болты, гвозди и шурупы. Расчет выполняется по нормативам: - EN 1995-1-1 (включая национальные приложения); - ANSI/AWC NDS-2015 (включая LRFD и ADS). Расчет многослойных поверхностей Рисунок 7.4 - Многослойные системы Дополнительный модуль RF-LAMINATE выполняет расчет напряжений и деформаций ламинированных поверхностей (например, плит из клееной перекрестно-ламинированной древесины). Расчет соединительных узлов Рисунок 7.5 - Узлы 68 Дополнительный модуль RF-/JOINTS Timber - Steel to Timber к RFEM/RSTAB Дополнительный модуль RF-/JOINTS Timber - Steel to Timber рассчитывает узлы с непрямыми соединениями при помощи стальных плит. Применяются следующие стержневые соединительные элементы: дюбели, болты, гвозди и шурупы. Расчет выполняется по: - EN 1995-1-1 (включая Национальные приложения); - ANSI/AWC NDS-2015 (включая LRFD и ADS). Рисунок 7.6 - Расчет стыков Дополнительный модуль RF-/LIMITS к RFEM/RSTAB Дополнительный модуль анализирует RF-/LIMITS несущую способность стержней, концов стержней, узлов, узловых опор и поверхности с помощью заданной предельной несущей способности. Расширяемая база данных содержит деревянные соединительные элементы (Sigha, Sherpa) а также стальные соединительные элементы (типовые узлы в стальных конструкциях по EC 3, M-connect). Автономные программы RX-TIMBER Автономные программы RX-TIMBER выполняют расчет по предельным состояниям по несущей способности и пригодности к эксплуатации, а также расчет на огнестойкость для различных элементов 69 деревянных конструкций по норме Еврокод 5. 1. RX-TIMBER Glued-Laminated Beam - расчет дощатоклееных балок. 2. RX-TIMBER Continuous Beam - расчет неразрезных балок. 3. RX-TIMBER Column - расчет деревянных колонн. 4. RX-TIMBER Purlin - расчет связанных прогонов и неразрезных балок. 5. RX-TIMBER Frame - расчет трехшарнирных рам с зубчатыми соединениями. 6. RX-TIMBER Brace - расчет связей фермы для повышения жесткости конструкции. 7. RX-TIMBER Roof - расчет односкатной и двускатной кровли. Пакет RX-TIMBER Пакет программ RX-TIMBER включает в себя программы RX- TIMBER Glued-Laminated Beam, RX-TIMBER Continuous Beam и RX- TIMBER Column. Программы осуществляют расчет дощатоклееных балок, неразрезных балок, и колонн по предельным состояниям несущей способности и пригодности к эксплуатации в соответствии с нормой EN 1995-1-1:2010-12/NA:2013-08 (EC 5). Кроме того, возможно выполнение расчета на огнестойкость в соответствии с нормой EN 1995-1-2. 70 Рисунок 7.7 - Деревянные клееные балки Многослойные дощатоклеѐные балки Модуль RX-TIMBER Glued-Laminated Beam выполняет расчет широкопролетных дощатоклееных балок восьми различных типов (параллельные, балки односкатной кровли, двускатные и другие). Возможен расчет с учетом поперечной растянутой арматуры, например, связанных стальных стержней. Неразрезные балки Модуль RX-TIMBER Continuous Beam производит расчет однопролетных и неразрезных балок, а такжебалок с промежуточными шарнирами с консолью и без консоли. 71 Рисунок 7.8 - Неразрезные балки Колонны Программа RX-TIMBER Column производит расчет шарнирно- опертых колонн (выборочно с упругим защемлением оголовка или подножия). В программе доступно множество круглых и прямоугольных сечений. Рисунок 7.9 - Колонны 72 Прогоны Автономная программа RX-TIMBER Purlin производит расчет связанных прогонов и неразрезных балок на предельные состояния по прочности и по пригодности к эксплуатации, а также на огнеупорность в соответствии с Еврокод 5. Рисунок 7.10 - Прогоны Трехшарнирные рамы RX-TIMBER Frame производит все необходимые расчеты в соответствии с нормой EC 5 для трехшарнирных рам со следующим типом геометрии: - симметричные/ несимметричные; - полурамы; - колонны с наклоном внутрь/наружу; - с промежуточными элементами и без. 73 Рисунок 7.11 - Трехшарнирные рамы Связи жесткости фермы Автономная программа RX-TIMBER Brace производит расчет связей жесткости фермы на предельные состояния по прочности и по пригодности к эксплуатации, а также на огнестойкость в соответствии с европейской нормой Еврокод 5. Рисунок 7.12 - Фермы Кровли RX-TIMBER Roof производит все требуемые по ЕС 5 расчеты следующих типов кровли: - плоская кровля; 74 - односкатная кровля; - двускатная кровля (симметричная/ асимметричная). Рисунок 7.13 - Расчет кровли деревянных каркасов 75 ТЕМА 8. РАСЧЕТ МОНОЛИТНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В APM STRUCTURE3D APM Structure3D – основной расчетный модуль. Основным расчетным модулем APM Civil Engineering является система конечно-элементного анализа APM Structure3D. APM Structure3D имеет сертификат соответствия № РОСС RU.СП 15.Н00086 требованиям следующих нормативных документов: СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия; СНиП II-7-81 Строительство в сейсмических районах; СНиП II- 23-81 Стальные конструкции; СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения; СП 52-101-2003 Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. Основные методы расчета неметаллических строительных конструкций, в том числе железобетонных, подробно изложены в книге В. В. Шелофаст, Е. Г. Стайнова «Неметаллические строительные конструкции». Книга является теоретическим пособием, позволяющим осознанно применять технические возможности системы APM Civil Engineering. Для лучшего восприятия теоретического материала приводятся примеры с решениями. Содержащийся в книге материал соответствует действующим на настоящий момент нормативным документам (СП и СНиП). Отличительной особенностью системы APM Structure3D является возможность расчета по СНиП комбинированных конструкций: стальных, железобетонных, деревянных, а также фундаментов. Критерии расчета по СНиП учитываются для конструктивных элементов: стальных (СНиП II-23- 81) или железобетонных (СНиП 52-01-2003, СП 52-101-2003). Об одном таком примере расчета комбинированной конструкции здания и пойдет речь в данной статье. 76 Рисунок 8.1 - Общий вид модели Реализация расчета железобетонной конструкции Расчет железобетонных конструкций реализован в APM Structure3D в форме проектировочного и проверочного. Проектировочный расчет проводят с целью подбора армирования для наиболее неблагоприятного сочетания нагрузки. Автоматизированный подбор армирования осуществляется из всей номенклатуры арматуры или из пользовательского диапазона диаметров и количества. Поверочный расчет проводят, как правило, для существующих конструкций при изменении действующих на них нагрузок, условий эксплуатации и объемно-планировочных решений, а также, если предварительно задан вариант армирования. На основании поверочного расчета определяется, достаточно ли армирования для восприятия нагрузок. 77 ТЕМА 9. РАСЧЕТ ФУНДАМЕНТОВ 9.1 APM Sturcture3D Расчет фундаментов (рис. 9.1) в APM Sturcture3D реализован в виде расчета одиночного, ленточного или сплошного фундаментов или различных их комбинаций. Расчет фундамента начинается с выбора конструктивного решения и назначения предварительных параметров, таких как размер подошвы и глубина заложения. Проверка пригодности принятых размеров, а также выбор размеров отдельных частей фундамента выполняется исходя из расчета несущей способности грунта. Рисунок 9.1 - Фундамент на упругом основании При расчете деформаций оснований, согласно СП 50-101-2004 Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений регламентируются предельные деформации оснований (относительная разность осадок, крен и максимальная осадка). Данные параметры могут быть также получены по результатам расчета. Подготовка модели к расчету Модель здания (рис. 8.1) была полностью построена средствами APM Structure3D. Следует заметить, что APM Structure3D поддерживает также 78 импорт модели из формата *.dxf. Для задания сечений металлоконструкции использовался встроенный редактор сечений, который позволяет создавать произвольные пользовательские сечения. Задание сечений железобетонного каркаса осуществлялось из библиотеки стандартных сечений, а фундамента – параметрический (рис. 9.1). Конструктивно ленточные фундаменты представляют собой железобетонные балки таврового сечения, установленные на упругом основании. Особенностью расчетной модели является необходимость единого армирования присущего группе объектов: плиты, квадратные колонны, круглые колонны, ригели, элементы фундамента одного сечения и т.д. Поэтому для удобства работы группы объектов были размещены по отдельным слоям: крыша, колонны, ригели, плиты, фундаменты. Задание нагрузок Нагрузки задавались в полном соответствии со СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия. Были предварительно созданы отдельные загружения для каждого вида нагрузок. Это позволяет формировать в дальнейшем расчетные сочетания нагрузок (комбинацию загружений) и расчетные сочетания усилий. Расчет проводился на основное и особое сочетание нагрузок. К зданию приложены следующие нагрузки: 1. Постоянные нагрузки: собственный вес конструкции, наружных стен и внутренних стен, настила крыши, витражей, лестничных маршей. 2. Временные длительные нагрузки: от эскалаторов. 3. Кратковременные нагрузки: от людей на перекрытия, лестничные марши, снеговая и ветровая нагрузки. 4. Особая: сейсмическая (сейсмичность площадки строительства – 8 баллов). 79 Для задания нагрузок специального вида – снеговых, ветровых (по СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия) и сейсмических (по СНиП II-7-81 Строительство в сейсмических районах) используются инструментальные средства. При определении нагрузок принято, что нагрузки от людей на пол 1-го этажа (отметка +0,000), воспринимается грунтом. Что вытекает из конструкции пола. Множитель собственно веса принимаем равным 1.2. APM Structure3D позволяет настраивать единицы измерения задаваемых нагрузок и учитывать коэффициенты надежности по нагрузке, регламентированные СНиП 2.01.07-85*. Коэффициенты надежности по нагрузке могут быть заданы отдельно при создании расчетной комбинаций загружения или формирования расчетного сочетания усилий. При таком подходе задание нагрузок может быть сведено к вводу нормативных значений, что сокращает дополнительные операции пересчета. Задание опор и расчет оснований Для ограничения перемещения по горизонтали (в плоскости XY) заданы опоры по внешнему фундаменту. Опоры ограничивают перемещения по направлению, перпендикулярному к фундаменту, что характеризует опору фундамента на боковой грунт. Опоры по вертикали (по оси Z) упругие, жесткость которых зависит от коэффициентов пропорциональности, называемых коэффициентами постели. Коэффициенты постели зависят от структуры и физико-механических характеристик грунтов, а также от нагрузки на основание. На основании данных инженерно-геодезических изысканий APM Structure3D позволяет задать структуру грунта в виде слоев и определить коэффициенты постели, а также выполнить расчет оснований по несущей способности и предельным деформациям. Основными параметрами грунтов, определяющими несущую способность оснований и их деформации, являются прочностные и деформационные характеристики (угол внутреннего трения , удельное 80 сцепление с, модуль деформации грунтов Е). Следует отметить, что коэффициенты постели, определяются в каждом узле точке основания. Что позволяет проводить расчет при неоднородной структуре грунтов по площадке строительства и/или несимметричной нагрузке на основания. Так как коэффициенты постели зависят от глубины продавливания, которая в свою очередь определяется нагрузкой на основание, то их расчет осуществляется в два этапа. Первоначально коэффициенты постели определяются исходя из постоянной нагрузки на все основания. Далее, после проведения статического расчета, проводится их пересчет в зависимости от нагрузки, приложенной к каждому элементу основания. Реализация расчета Для сокращения времени расчета сначала была создана модель крыши, выполнен ее статический расчет. Анализ результатов расчета металлоконструкции показал, что в узле балки верхнего пояса фермы возникают повышенные напряжения. Для повышения запаса прочности в модель были добавлены монтажные пластины («фасонки»), а также в конструкцию раскосов ферм введены дополнительные стержни, монтаж которых должен осуществляться нормально по отношению к верхнему поясу ферм. В результате модернизации произошло перераспределение напряжений в элементах металлоконструкции и максимальный уровень напряжений понизился до 167 МПа, а коэффициент запаса прочности по пределу текучести материала составил 1,46. Далее вниз от крыши была достроена модель железобетонного каркаса здания. Таким образом, получена полная модель здания. Для расчета железобетонных элементов используется следующий порядок выполнения расчета: статический расчет, уточнение коэффициентов постели от приложенной нагрузки, повторный статический расчет с учетом упругого основания, определение расчетных сочетаний усилий. После 81 статического расчѐта и определения расчетных сочетаний усилий можно провести подбор/ проверку армирования железобетонных конструктивных элементов в соответствии с СП 52-101-2003. Для этого выделяем группу железобетонных стержней или пластин и помещаем в отдельные конструктивные элементы. Система автоматически определяет тип элемента: оболочка, колонна или ригель. Далее задаем единые параметры армирования для всей группы элементов одного сечения, что позволит провести проверочный расчет единого армирования. Такую операцию необходимо повторить для плит, колонн круглых, колонн квадратных, ригелей, а также для каждого сечения фундамента. Расчет по первой и второй группе предельных состояний производится в точном соответствии с разделом 6 и 7 СП 52-101-2003 и определяется классом бетона, классом арматуры, характером армирования, типом поперечного сечения элемента и совокупностью действующих на него нагрузок. В случае неудовлетворительной прочности по причине малого размера сечения, а также при внесении иных изменений в конструкцию весь порядок расчета, начиная со статического, необходимо повторить. Автоматизированный подбор армирования возможен для выбранных или для всех конструктивных элементов. В общем случае нагружения конструкции получить единое армирование сразу не всегда удается. Тогда порядок подбора единого армирования для группы элементов осуществляется в два этапа. Во-первых, выполняется проектировочный расчет группы элементов. Далее в рамках проверочного расчета по максимальному армированию осуществляется единый подбор диаметров и количества арматуры для удовлетворения всех критериев прочности по первой и второй группе предельных состояний. Для получения полного представления об армировании элементов служит объемная визуализация железобетонных элементов (рис. 9.2). 82 Рисунок 9.2 - Пример объемного отображения армирования стержней Основными критериями проверочного расчета выступают коэффициенты использования арматуры. Коэффициенты использования арматуры должны быть меньше единицы. Пример карты коэффициентов использования продольного армирования стержней при косом изгибе показан на рисунке 4. Рисунок 9.3 - Коэффициент использования продольного армирования стержней при косом изгибе Одним из критериев расчета по второй группе предельных состояний выступает ширина непродолжительного раскрытия трещин (рис. 5). В данном 83 случае максимальное значение непродолжительной ширины раскрытия трещин составляет 0,37 мм по ригелям на отметке + 4,010, что меньше 0,4 мм – предельно допустимого значения ширины раскрытия трещин из условия сохранности арматуры. Рисунок 9.4 - Непродолжительная ширина раскрытия трещин В ходе выполнения прочностного расчета здания магазина проведен подбор армирования всех железобетонных элементов. Для обеспечения прочности потребовалось дополнительное увеличение первоначальных размеров сечений фундамента на 100 мм. Выводы В чем же преимущество APM Structure3D по сравнению с другими системами? Отличительной особенностью является расчет по СНиП и СП одновременно всех плит, колонн и ригелей – конструктивных элементов. При 84 этом отпадает необходимость отдельной проверки каждого элемента или определения наиболее нагруженного. Реализация комплексного расчета в рамках одного модуля позволяет избежать «лишних» операций по передаче данных из одной расчетной среды в другую. Кроме того, единая модель обладает гораздо большей гибкостью для представления различных вариантов конструктивного исполнения заказчику или при проведении серии расчетов. |