ККЛ ИЗО. Конспект лекций. Саморядов С. В. Маси. М. 2017. с. 138, ил таб
 Скачать 4.07 Mb.
|
|
ТЕМА 10. РАСЧЕТЫ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ Расчет металлоконструкций, возможно, самый простой, по сравнению с конструкциями из других материалов. Предельные состояние по прочности производится по нормативным значениям напряжений, которые далеки от предела текучести, пластичности. Второе предельное состояние - по деформациям на изгиб, кручение. Вспомним что для железобетонных конструкций расчет производится по нескольким параметрам, в том числе на образование трещин. Рисунок 10.1 - Пример расчета сводов Какая программа для проектирования металлоконструкций будет удобна и проста в использовании? Какие же этапы входят в процесс проектирования металлоконструкций? 1. Расчет сооружения на действие различных видов нагрузок. 2. Проверка (подбор) сечений из металлопроката. 115 3. Расчет узлов сопряжения элементов. 4. Разработка чертежей марок КМ и КМД. Расчет стальных конструкций Расчеты — это самый ответственный этап проектирования, а также основа для дальнейшей работы инженера-конструктора. Расчеты производят на действие статических и динамических нагрузок, которые возникают во время монтажа конструкции и в процессе еѐ эксплуатации. Результатом инженерного анализа должно стать обеспечение необходимой прочности, устойчивости и долговечности для здания (сооружения) при условии соблюдения технологии строительного производства. Автоматизированный расчет позволяет снизить как временные затраты проектировщика, так и материальные ресурсы. Подготовка чертежей марок КМ и КМД Комплекты чертежей марок КМ и КМД разрабатываются с учетом проведенных расчетов. Данный процесс требует немалого количества времени. Комплект документации марки КМ включает в себя: 1. Лист с общими данными, содержащий информацию о марках стали, условных обозначениях, нагрузках и т. д. 2. Ведомость элементов КМ и техническая спецификация металла. 3. Чертежи общих видов конструкции, схем, разрезов, узлов с маркировкой всех элементов. В комплекте марки КМД содержатся: 1. Чертежи монтажных схем с указанием позиций отправочных элементов. 2. Сборочные чертежи и спецификации. 116 3. Деталировочные чертежи. Возникает вопрос: «Как решить поставленные задачи качественно и с минимальными временными затратами?». Компания «БилдСофт» предлагает решение: совместное использование программных комплексов SCAD Office и Advance Steel. Вычислительный комплекс Structure CAD (SCAD) является расчетной программой, основанной на методе конечных элементов. Он позволяет формировать расчетные модели сооружений любой сложности и определять напряженно-деформированное состояние конструкций, осуществляет проверку и подбор сечений профилей из металлопроката, выполняет расчет узлов стальных конструкций и обладает некоторым функционалом для проектирования элементов конструкций. Advance Steel — 100 % ориентация на проектирование металлоконструкций. Программа для трехмерного моделирования и автоматического получения чертежей марок КМ и КМД со всеми необходимыми видами, разрезами, узлами, размерами и маркировкой. В качестве тестового задания специалистам нашей компании было предложено рассчитать и сконструировать стальную стропильную ферму с сечениями элементов из уголков. Рисунок 10.2 - Ферма стальная (исходный вариант) 117 Основные характеристики конструкции: 1. Длина — 18 м. 2. Высота в коньке — 3,1 м. 3. Высота на опоре — 1,5 м. Сечения элементов приняты по результатам ручного расчета (уголки спаренные, двутавр): 1. верхний пояс — 2L125x10. 2. нижний пояс — 2L100x10. 3. раскосы опорные — 2L100x10. 4. раскосы пролетные — 2L80x7. 5. стойки опорные — I20Ш1. 6. стойки пролетные — 2L63x5. Общая масса конструкции 1927 кг. Рисунок 10.3 - Статический расчет конструкции, подбор оптимальных сечений профилей Расчет конструкции выполнялся в плоской постановке. На основании исходных данных в ВК SCAD были произведены проверка существующих и подбор оптимальных сечений элементов фермы: 1. верхний пояс — 2L100x8. 2. нижний пояс — 2L75x6. 3. раскосы опорные — 2L100x8. 4. раскосы пролетные — 2L60x5. 118 5. стойки опорные — I20Ш1. 6. стойки пролетные — 2L50x4. Общая масса конструкции 1178 кг. Экономия металла составила почти 38 % (750 кг)! Рисунок 10.4 - Проверка деформаций Программа Advance Steel позволяет на основании 3D модели автоматически сформировать чертежи марок КМ и КМД со всеми необходимыми видами и разрезами, а также размерами и маркировкой. Рисунок 10.5 - Чертежи КМД Кроме того, на основе модели можно получать ведомости материалов и файлы данных для станков с ЧПУ. Почему SCAD и Advance Steel? 119 При совместном использовании Advance Steel и ВК SCAD время, затраченное на создание 3D модели, сокращается в 2 раза. Качество при минимальных затратах. Немаловажным фактором, влияющим на стоимость и качество строительных работ, являются сроки создания необходимой документации. Для того чтобы уменьшить время проектирования и не жертвовать при этом качеством проектов, мы предлагаем данные средства проектирования. Использование вычислительного комплекса SCAD и программы Advance Steel позволяет автоматизировать и значительно ускорить процесс расчета, проектирования и подготовки необходимой документации. Ниже представлена диаграмма эффективности применения САПР в проектной деятельности. 120 ТЕМА 11. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КАМЕННЫХ, ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В настоящее время развитие строительной механики идет по пути разработки все более совершенных аналитических и численных методов, ориентированных на широкое применение в расчетных комплексах. Все теснее становится связь задач строительной механики с проектированием конструкций, с технологией их изготовления и монтажа. ПК МОНОМАХ позволяет решать большой класс задач строительной механики и успешно применяется в расчетах зданий и сооружений во многих странах. Назначение и преимущества ПК МОНОМАХ ПК МОНОМАХ представляет собой универсальный программный комплекс, позволяющий решать большой класс задач расчета и проектирования железобетонных, каменных и армокаменных конструкций. Этапы проектирования и расчета конструкций, выполняемые с использованием различных программных продуктов, в ПК МОНОМАХ объединены в рамках общего комплексного подхода. Этот подход обеспечивает значительное упрощение работы и увеличение скорости проектирования. 121 Рисунок 11.1 - ПК Мономах Область применения ПК МОНОМАХ весьма разнообразна — это расчет и проектирование монолитных железобетонных зданий, сборных зданий рамной и рамно-связевой конфигурации, кирпичных зданий, высотных зданий и т. д. ПК МОНОМАХ успешно применяется при расчете сооружений со сложным планом, переменной конфигурацией по высоте, большим количеством нерегулярных включений и многими другими особенностями. Рассмотрим основные преимущества ПК МОНОМАХ От пользователя не требуется глубоких знаний метода конечных элементов (МКЭ) и специфических знаний по работе со сложными расчетными комплексами, поскольку при создании расчетной модели сооружения ему приходится работать со знакомыми объектами: осями, балками, перекрытиями, колоннами, этажами и т. д. ПК МОНОМАХ может быть использован на разных этапах проектирования. На стадии принятия проектных решений за короткое время 122 можно получить результаты расчетов вариантов конструктивных схем с различной расстановкой колонн, диафрагм, свай, с разной толщиной плит и пр., а также определить расход материалов и стоимость конструкций здания. Применение ПК МОНОМАХ на стадии рабочего проектирования позволяет создать расчетную схему, выдать результаты расчетов и эскизы рабочих чертежей в единой среде, что позволяет существенно сократить сроки выполнения работ. Есть возможность расчета сооружений совместно с грунтовым основанием на базе создаваемой 3D-модели грунтового массива по имеющимся инженерно-геологическим данным. ПК МОНОМАХ предоставляет пользователю возможность задания фундаментов как на естественном, так и на свайном основании, причем с различными вариантами описания жесткостных характеристик свай. ПК МОНОМАХ имеет экспертную систему, которая на всех этапах автоматизированного проектирования дает пользователю подсказки относительно обоснования принятых конструктивных решений, таких как выбор размеров сечения несущих конструкций, расстановка диафрагм жесткости, обеспечение тех или иных требований нормативных документов. Выполняется расчет на ветровые и сейсмические нагрузки с автоматическим сбором нагрузок и с учетом требований различных нормативных документов (нормы всех стран СНГ и некоторых европейских стран). В ПК МОНОМАХ реализован широкий спектр возможностей по межпрограммной передаче данных: - импорт из комплекса AutoCAD набора плоских планов этажей в формате DXF. В результате импорта в ПК МОНОМАХ автоматически генерируется пространственная многоэтажная расчетная схема с заданными параметрами сечений конструктивных элементов; - импорт из цифровой модели объекта (ЦМО используется в 123 интегрированной технологической линии проектирования КАЛИПСО). Эта линия проектирования объединяет большое количество различных архитектурных программ (ArchiCAD, AutoCAD и др.); - экспорт расчетной схемы в программный комплекс «Лира» с возможностью автоматической генерации сетки конечных элементов (КЭ), экспорта жесткостных параметров КЭ, нагрузок и т. д.; - экспорт нагрузок на фундамент и напластования грунтов в ФОК ПК и в программу ФУНДАМЕНТ для дальнейшего расчета и проектирования столбчатых фундаментов. Все чертежи, сформированные в ПК МОНОМАХ, могут быть сохранены в формате DXF и экспортированы в любые программы, поддерживающие этот формат. Возможности межпрограммной передачи данных о расчетных моделях непрерывно развиваются. Расширяется спектр реализованных функций импорта и экспорта для новых типов и форматов файлов. ПК МОНОМАХ изначально ориентирован на инженеров строительной отрасли, предоставляя интуитивно понятный интерфейс и эффективные расчетные предпосылки. Тем самым создан инструмент, позволяющий принимать быстрое и надежное решение при проектировании и расчете железобетонных и каменных конструкций. Состав ПК МОНОМАХ В состав ПК МОНОМАХ входят следующие программы: КОМПОНОВКА, БАЛКА, КОЛОННА, ФУНДАМЕНТ, ПОДПОРНАЯ СТЕНА, ПЛИТА, РАЗРЕЗ (СТЕНА), КИРПИЧ и ГРУНТ. Данные программы связаны информативно, но в то же время могут работать в автономном режиме. Рассмотрим основные возможности этих программ. 124 Рисунок 11.2 - Состав Мономах Программа КОМПОНОВКА — это основной модуль ПК МОНОМАХ. Он позволяет в короткий срок сформировать схему здания, выполнить статический и динамический расчеты, определить расход материалов, оценить стоимость конструкций и экспортировать данные для конструирующих программ (ПЛИТА, БАЛКА и т. д.). В программе КОМПОНОВКА осуществляется формирование модели здания, при котором производятся следующие операции: - расстановка осей, колонн, балок, стен, перегородок, плит перекрытия и фундаментных плит произвольной конфигурации, а также свай; - задание отверстий в стенах (с возможностью формирования собственной базы отверстий), плитах перекрытия, фундаментных плитах; - сбор нагрузок на колонны, балки, стены, фундаменты и фундаментные плиты; - расчет здания на горизонтальные нагрузки, вызванные ветровыми, сейсмическими воздействиями и боковым давлением грунта; - подбор и проверка сечений конструктивных элементов; - определение перемещений и усилий, частот и периодов 125 колебаний методом конечных элементов; - учет реальных инженерно-геологических условий площадки строительства при импорте модели грунта, созданной в программе ГРУНТ; - формирование и экспорт данных для конструирующих программ. Программа КОМПОНОВКА является удобным инструментом как при рабочем проектировании, так и при необходимости быстрой оценки жизнеспособности конструктивных решений. Рисунок 11.3 - Компоновка Программа БАЛКА позволяет спроектировать монолитную одно- или многопролетную неразрезную балку с переменной высотой сечения по пролетам. Сечение балки может быть прямоугольным, при этом учитывается наличие полки; нагрузка — равномерно распределенная по пролету, по части пролета, сосредоточенные вертикальные силы и моменты. Схема балки, сечение, нагрузки, сведения о материалах и требования конструирования задаются или корректируются в интерактивном режиме. Программа выполняет статический расчет балки с построением огибающих эпюр 126 перемещений и усилий, определяет расчетную площадь арматуры, выполняет построение эпюры материалов, конструирование балки с выведением чертежа. Программа КОЛОННА дает возможность спроектировать монолитную колонну с различной формой сечения: прямоугольной, тавровой, крестовой, уголковой, кольцевой и др. Схема формируется в режиме импорта и в автономном режиме. Колонна может быть подвержена действию сжимающей силы и моментов в двух плоскостях (косое внецентренное сжатие). Форма и размеры сечения, нагрузки, материалы задаются в интерактивном режиме. Для пилонов учитываются особенности расположения арматуры по длинным сторонам. Программа выполняет расчет по первому и второму предельному состоянию (расчет по раскрытию трещин), определяет расчетную площадь арматуры, выполняет конструирование колонны и выводит чертеж. Программа ФУНДАМЕНТ позволяет спроектировать монолитный столбчатый фундамент под колонны и короткие участки стен для заданных инженерно-геологических условий. Схема формируется в режиме импорта и в автономном режиме. Программа выполняет расчет основания и фундамента, определяет необходимую площадь сечения арматуры и производит конструирование фундамента. В программе учитывается просадочность грунтов. Есть возможность импорта в программу данных по арматурным выпускам. Выполняется чертеж спроектированного фундамента. Программа ПОДПОРНАЯ СТЕНА проектирует монолитную уголковую подпорную стену и выполняет проверку массивной подпорной стены для заданных инженерно-геологических условий. Схема формируется в автономном режиме. В программе можно задавать нагрузки, как на лицевую панель подпорной стены, так и на грунт засыпки, в том числе подвижные нагрузки (АК, НК-80, НГ-60 и др.). Программа выполняет расчет устойчивости основания, расчет и конструирование подпорной стены. Выполняется чертеж, и выводится расход материалов на погонный метр 127 спроектированной подпорной стены. В программе ПЛИТА проектируются монолитная железобетонная плита перекрытия и фундаментная плита. Фундаментная плита рассматривается на естественном основании или на свайном поле произвольного очертания. Учитывается переменная толщина плиты и наличие отверстий. Сведения о грунтовом основании задаются или импортируются из программы ГРУНТ. После статического расчета программа выполняет построение полей перемещений и усилий, определяет расчетную площадь арматуры. Производится расчет на продавливание. Осуществляется конструирование плиты. По результатам конструирования выполняется чертеж с автоматической генерацией спецификации плиты и ведомости расхода стали. При необходимости производится экспорт расчетной схемы плиты в программный комплекс «Лира». Рисунок 11.4 - Расчет безбалочных перекрытий 128 Программа РАЗРЕЗ (СТЕНА) позволяет спроектировать монолитную железобетонную стену произвольного контура совместно с примыкающими рамными конструкциями. Учитывается наличие отверстий и участков стены разной толщины. Программа выполняет статический расчет плоской схемы разреза с построением эпюр усилий, изополей перемещений и напряжений. Определяется расчетная площадь арматуры для стеновых элементов и выполняется конструирование для указанных зон. По результатам делается чертеж. При необходимости выполняется экспорт расчетной схемы разреза в программный комплекс «Лира». Программа КИРПИЧ выполняет расчет армирования стен кирпичных зданий. Используя в комплексе программы КИРПИЧ, КОМПОНОВКА и ГРУНТ, пользователь получает мощнейший инструмент для работы с каменными и армокаменными конструкциями. При вычислении усилий в программе КОМПОНОВКА учитывается совместная пространственная работа несущих кирпичных и железобетонных элементов здания (поясов, железобетонных сердечников, фундаментной плиты, диафрагм, колонн, пилонов), а также эксцентриситетное приложение нагрузок от плит перекрытий и балок. В процессе расчета производится определение необходимого количества сеток и подбор стержней вертикального армирования. Возможен вариантный расчет на основе указания пользователем различных вариантов расчетных участков стен. Выполняется чертеж с раскладкой сеток по сечению стен. Программа ГРУНТ формирует пространственную модель грунтового основания по заданным инженерно- геологическим условиям площадки строительства. Для описания площадки строительства задается база характеристик слоев грунта, указывается расположение и отметки устья скважин, слои грунта, составляющие ту или иную скважину. Для произвольных штампов нагрузок от проектируемых или существующих зданий определяется поле осадок; по нескольким методикам выполняется расчет и определение жесткости упругого основания на сжатие 129 и на сдвиг (так называемых коэффициентов постели), а для свайного основания — характеристик каждой сваи (несущая способность и осадки). Модель грунтового основания экспортируется в программы КОМПОНОВКА и ПЛИТА, где используется при расчете отдельных фундаментов и фундаментных плит. Новые возможности ПК МОНОМАХ версии 4.5 Поэтапное возведение здания. Теперь пользователь сам может задать этапы возведения здания по этажам (захваткам), место и время появления нагрузки на схеме. Разработана и внедрена функция выравнивания уровней плит перекрытий. Экспорт результатов МКЭ-расчета в программу ПЛИТА выполняется в виде трафарета перемещений в точках и линиях примыкания соседних элементов. Автоматическая генерация абсолютно жестких тел (АЖТ). Стыки колонн и стен с плитами перекрытия теперь моделируются с помощью автоматического введения АЖТ. При формировании АЖТ учитывается форма сечения колонн. Задание капителей. Использование данной функции позволяет пользователю решать более широкий спектр задач. Эта операция может быть выполнена по срединным плоскостям, а также по нижним или верхним граням плиты. При этом в МКЭ-расчете моделируется эксцентриситет при стыковке плит разной толщины. Возможен экспорт плит с капителями в программу ПЛИТА, при этом плиты с капителями объединяются в одну экспортируемую группу. Унификация колонн и коротких стен. Предоставляется возможность объединять в группы колонны (одинакового сечения), а также короткие стены (одинакового сечения) и производить унификацию по характерным данным. Эта новая функция расчета позволяет добиться более эффективного результата при минимальных затратах времени на обработку данных. 130 Возможность пересечения стен с отверстиями. Гораздо удобнее стал процесс создания в стенах и перегородках отверстий сложной формы, а также процесс автоматического пересечения стен с отверстиями между собой. Таким образом, теперь можно моделировать, например, дверные проемы без образования нижней перемычки и др. Учет бокового давления грунта. Добавлена возможность задания нагрузок из плоскости стен. Эту функцию можно использовать, например, для учета бокового давления грунта на стену. Новые возможности для работы с фундаментной плитой. Весь перечень нагрузок, реализованных в программе, теперь стал доступен и для фундаментной плиты. Предусмотрена возможность задания фундаментных балок, усиливающих фундаментную плиту. Появилось новое сечение балки — прямоугольник с полками плиты внизу. Операция объединения фундаментных плит в одну группу для экспорта в программу ПЛИТА дает возможность воспринимать их как единое целое, что значительно упрощает процесс анализа результатов. Добавилась функция «Разрезать этаж». Задается уровень разреза, этаж разделяется на два фрагмента с суммарной высотой, равной высоте разрезаемого этажа. Колонны и стены переходят в оба этажа: элементы и нагрузки на плиту перекрытия — в верхний этаж, а элементы и нагрузки на фундаменты — в нижний. В программе ПЛИТА добавлен расчет по трафарету перемещений. Импорт результатов МКЭ-расчета из программы КОМПОНОВКА реализован в виде трафарета перемещений. В трафарете присутствуют как линейные, так и угловые перемещения. В связи с этим расширен и набор усилий (добавлена мембранная группа напряжений). Новые усилия отображаются и участвуют в подборе арматуры. Расширено количество загружений для плиты перекрытия — добавлены сейсмические и ветровые загружения. В программах РАЗРЕЗ и КИРПИЧ реализован импорт всех форм колебаний от сейсмических загружений. В программе КОЛОННА добавлен ряд функций корректировки 131 арматуры в чертеже колонны. Появившийся в ПК МОНОМАХ версии 4.5 усовершенствованный интерфейс программы, а также новые функции создания и редактирования позволяют оперативно вносить изменения в уже созданную модель и поднимают производительность пользователя на качественно новый уровень. |