В статье проводится анализ сходимости результатов ручного расчета с автоматическим в IDEA StatiCa Connection узловых соединений металлической поперечной рамы.
Ключевые слова: металлическая поперечная рама, конструктивное решение, узел, IDEA StatiCa.
В промышленном и гражданском строительстве в настоящее время по-прежнему отдают большое предпочтение стальным рамным и рамно-связевым каркасам. Соединение базовых несущих элементов в конструкции, а конструкций — в конструктивные системы происходит в узлах. Через узловые соединения происходит передача нагрузки от одного элемента к другому, поэтому узлы являются чрезвычайно ответственной частью конструктивной системы.
При выборе конструктивного решения соединений (стыков и узлов) легких элементов необходимо учитывать такие факторы, как, например, действие сил в соединяемых сечениях, сечения с наименьшей прочностью в соединениях, концентрация напряжений, деформируемость частей стыка и др. [1].
В принятом конструктивном решении металлической рамы, представленной на рис. 1, рассматривались узловые соединения двух типов: сварные и болтовые. По характеру их работы при передаче нагрузки: жесткие и шарнирные.
Полученное по расчету конструктивное решение несущего металлического каркаса, рама которого состоят из малоуклонного ригеля с подкосами и затяжкой, замоделировано в программе Tekla Structures в виде трехмерной модели. По разработанному каркасу с деталировкой пользовательских компонентов (узлов) можно получить как чертежи общего вида, так и отдельных деталей. Компоненты в Tekla в разы ускоряют работу с узлами любой сложности, к тому же отпадает необходимость регулярной корректировки соединений ввиду изменения параметрических исходных данных, таких как сечения деталей или привязки друг к другу.
Рис. 1. Конструктивное решение несущего металлического каркаса (Tekla Structures)
В конструкции рамы несущего металлического каркаса рассчитывались и моделировались следующие основные узлы в соответствии с норами СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции» [2]:
− опорный жесткий узел базы колонны;
− шарнирный и жесткий рамный узел сопряжения ригеля с колонной;
− жесткий узел стыковки стальных балок в коньке рамы;
− верхний узел крепления подкоса к балке покрытия рамного каркаса;
− нижний узел крепления подкоса к колонне рамы;
− узел соединения затяжки рамы каркаса.
Функция взаимодействия Tekla Structures с программным обеспечением IDEA StatiCa позволяет одновременно работать над одной моделью. Замоделированные узлы соединений стальных конструкций в программном обеспечении Tekla были импортированы в IDEA StatiCa. В IDEA StatiCa Connection можно, как запроектировать, так видоизменить металлические соединения и выполнить расчет узла компонентным методом конечных элементов [3]. При расчёте узлов анализируются все заданные усилия, а также учитывается взаимодействие между всеми замоделированными элементами и их соединениями.
В IDEA StatiCa при расчете рассматривалась общая проверка, анализ напряжений и деформаций, анализ жесткости, анализ потери устойчивости, сопротивление соединения конструкций.
По законструированным расчётным моделям узлов в IDEA StatiCa были получены результаты общей проверки — коэффициенты использования болтов, сварных швов и пластин (в зависимости от конструкции узла), а также графические выводы результатов, в виде сетки КЭ, деформированной схемы, формы потери устойчивости для текущего значения критической нагрузки изополей напряжений, эпюры и т. д.
IDEA StatiCa — это не запрограммированные алгоритмы расчета из СП, а это новый метод расчета узлов. По полученным результатам с помощью IDEA StatiCa можно наблюдать и анализировать прочность всего соединения.
По результатам ручного расчета, методика которых представлена в СП 16.13330.2017 [2] были замоделированы узловые сварные и болтовые соединения, и проведено сравнение с результатами, полученными автоматическим расчетом в программной среде с использованием компонентов метода конечных элементов (МКЭ), можно сделать вывод, что полученные значения близки к ручному расчету. Расхождения результатов составляют до 10 %, причиной этого являются различные математические реализации принципов расчета, использование разных коэффициентов в методиках расчета, принятые допущения при ручном расчете по СП или не полноценный учет конструктивных особенностей соединения.
С помощью IDEA StatiCa в раме несущего металлического каркаса получалось оптимизировать конструкцию узлов, что позволило избежать перерасхода материала.
К примеру, в опорном жестком узле базы колонны, кроме условия прочности выполнено усиление двутавровой колонны для удовлетворения условиям общей и местной устойчивости установкой поперечных диафрагм жесткости.
С помощью IDEA StatiCa получилось оптимизировать и упростить болтовые соединения — уменьшить количество болтов 1/3 в нейтральных зонах (в основном расположенные с левого и правого краёв) не включающихся в работу — их коэффициенты использования едва составляли пару процентов.
Это объясняется тем, что при расчете по СП есть такие допущения:
− усилие воспринимается болтами равномерно;
− растяжение болтов от силы, перпендикулярной их оси, не учитывается, т. е. жесткость пластин не учитывается;
− элементы, соединяемые болтами, считаются недеформированными (изгибная жесткость пластин не влияет на распределение усилий в болтах).
Однако как выяснилось, IDEA StatiCa при расчете болтовых соединений на восприятие растягивающей продольной силы учитывает так называемый «рычажный эффект», т.е в некоторых болтах учитываются дополнительные усилия, вызванные отпором фланца. И при растяжении в болтах появляется небольшой срез. Поэтому и разные коэффициенты несущей способности. Следовательно, IDEA StatiCa учитывает влияние изгибной жесткости пластин на усилия в болтах.
Для того чтобы получить более жесткую схему и по расчетам близкую к СП, необходимо включить в работу ребра жесткости.
Результат по жесткому узлу стыковки стальных балок в коньке, показал, что необходимо для обеспечения прочности или жесткости узлового соединения без существенного увеличения массы изменить конструктивное решение — также включить в работу рёбра жесткости. Они обеспечивают сохранение изначальной геометрии соединения, при этом общая масса изделия возрастает незначительно, повышает надёжность и несущую способность. Ребра жесткости укрепляют стенки балок в местах приложения сосредоточенных нагрузок, обеспечивая их местную устойчивость.
В IDEA StatiCa модель сварного шва отображает реальную эпюру напряжений, т. к. каждый сварной шов разбивается на КЭ и в результате в нем находится напряжение. По СП эпюра напряжений в сварном шве прямоугольная, а по IDEA StatiCa параболическая с пиками по краям (текучесть).
Сравнение и анализ результатов решения ручного расчета с автоматическим в IDEA StatiCa Connection показывает, насколько важно при решении задач для получения более достоверных результатов, а также для увеличения несущей способности узлов соединения конструкций, использовать современные программные комплексы, исследуя возможность оптимизации их конструктивного решения.
Литература:
1. Металлические конструкции. Т.2. Стальные конструкции зданий и сооружений. (Справочник проектировщика) / Под общ. ред. В. В. Кузнецова 1998г. — 498 с.
2. СП 16.13330.2017. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23–81* (с Поправкой, с Изменением N 1). — Москва, 2017. — 140 с.
3. IDEA StatiCa Connection: [Электронный ресурс] — Москва, ООО «НИП-ИНФОРМАТИКА»1991–2020. URL: https://steel-concrete.ru/products/idea/idea-statica-connection/ (Дата обращения: 25.04.2020).
