Разработка, анализ и оптимизация узловых соединений металлического каркаса одноэтажного однопролетного здания | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 13 марта, печатный экземпляр отправим 17 марта.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Архитектура, дизайн и строительство

Опубликовано в Молодой учёный №18 (308) май 2020 г.

Дата публикации: 04.05.2020

Статья просмотрена: 27 раз

Библиографическое описание:

Пермякова, А. Ю. Разработка, анализ и оптимизация узловых соединений металлического каркаса одноэтажного однопролетного здания / А. Ю. Пермякова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 18 (308). — С. 80-81. — URL: https://moluch.ru/archive/308/69624/ (дата обращения: 05.03.2021).



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.

snap_001

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).

Основные термины (генерируются автоматически): IDEA, конструктивное решение, ручной расчет, несущий металлический каркас, соединение, сварной шов, местная устойчивость, металлическая поперечная рама, общая проверка, опорный жесткий узел.


Похожие статьи

Расчёт узла сопряжения колонн с фундаментом

В соответствии с расчётной схемой металлического каркаса многопролётного здания

Рис. 2. Соединение колонн с железобетонным фундаментом. Вместе с тем базы колонн имеют

При проверке несущей способности уже изготовленных рам с устройством соединения колонн с...

Разработка оптимальных конструктивных решений легких...

Анализируются оптимальные конструктивные решения металлических поперечных рам.

Библиографическое описание: Пермякова, А. Ю. Разработка оптимальных конструктивных решений легких металлических каркасов одноэтажных однопролетных и многопролетных...

Анализ методов статического расчета безбалочных...

На примере трехпролетной схемы связевого каркаса выполнен статический расчет безбалочной бескапительной плиты перекрытия различными методами: упругой сетки, заменяющих рам, конечных элементов. Произведен анализ результатов расчета.

Исследование напряженно-деформированного состояния гнутых...

Расчёт узла сопряжения колонн с фундаментом. Соединения несущих балок с колонной осуществлено по шарнирной схеме. Естественно, что при определении усилий в элементах поперечной рамы необходимо было вводить жёсткое соединение фундамента с колонной в...

Вариант металлической базы колонны при реконструкции объекта...

Усиление колонны металлической обоймой выполнено с целью увеличения несущей

Принято решение создать пространственную базу коробчатого сечения с габаритами (ДхШхВ)

Расчет системы произведен на случай прогрессирующего обрушения с учетом обрушения...

Применение многорядных соединений в деревянных...

1/30 пролета рам. Высота поперечного сечения ригеля рам в коньковом узле принимается не менее 0,3 h, а в опорном сечении — не.

Усиление металлических конструкций композитными материалами. Деформационные характеристики геополимерного бетона и несущая...

Формообразование быстровозводимых зданий и сооружений на...

Соединение основных ребер и диафрагм жесткости выполнено при помощи вклеенных

Рис 2. Конструктивное решение одноэтажного жилого дома из унифицированных панелей с

Полка плит за счет клеевого соединения с ребрами включается в общую работу, что приводит к...

Сопряжение пластинчатых элементов по шарнирной схеме

Их ориентация в общей системе координат. При необходимости можно через узлы провести вертикальные стержни фиктивной жесткости.

Для моделирования сопряжение кирпичной стены А, с монолитной плитой. По логике вещей жесткие узлы оставлять нельзя, так как в...

Оценка технико-экономических показателей изготовления...

Для оценки вариантов металлических конструкций при их сравнении, при выборе и обосновании проектных решений

Использование при расчете сравниваемых проектных решений различных расчетных условий и

- Производится проверка сварных швов; - Осуществляется...

Исследование статической работы клееных рам

Методикой предусматривалось расчет различных рам методом конечных элементов основные размеры рам приняты из условия предварительных

1/30 пролета рам. Высота поперечного сечения ригеля рам в коньковом узле принимается не менее 0,3 h, а в опорном сечении — не...

Похожие статьи

Расчёт узла сопряжения колонн с фундаментом

В соответствии с расчётной схемой металлического каркаса многопролётного здания

Рис. 2. Соединение колонн с железобетонным фундаментом. Вместе с тем базы колонн имеют

При проверке несущей способности уже изготовленных рам с устройством соединения колонн с...

Разработка оптимальных конструктивных решений легких...

Анализируются оптимальные конструктивные решения металлических поперечных рам.

Библиографическое описание: Пермякова, А. Ю. Разработка оптимальных конструктивных решений легких металлических каркасов одноэтажных однопролетных и многопролетных...

Анализ методов статического расчета безбалочных...

На примере трехпролетной схемы связевого каркаса выполнен статический расчет безбалочной бескапительной плиты перекрытия различными методами: упругой сетки, заменяющих рам, конечных элементов. Произведен анализ результатов расчета.

Исследование напряженно-деформированного состояния гнутых...

Расчёт узла сопряжения колонн с фундаментом. Соединения несущих балок с колонной осуществлено по шарнирной схеме. Естественно, что при определении усилий в элементах поперечной рамы необходимо было вводить жёсткое соединение фундамента с колонной в...

Вариант металлической базы колонны при реконструкции объекта...

Усиление колонны металлической обоймой выполнено с целью увеличения несущей

Принято решение создать пространственную базу коробчатого сечения с габаритами (ДхШхВ)

Расчет системы произведен на случай прогрессирующего обрушения с учетом обрушения...

Применение многорядных соединений в деревянных...

1/30 пролета рам. Высота поперечного сечения ригеля рам в коньковом узле принимается не менее 0,3 h, а в опорном сечении — не.

Усиление металлических конструкций композитными материалами. Деформационные характеристики геополимерного бетона и несущая...

Формообразование быстровозводимых зданий и сооружений на...

Соединение основных ребер и диафрагм жесткости выполнено при помощи вклеенных

Рис 2. Конструктивное решение одноэтажного жилого дома из унифицированных панелей с

Полка плит за счет клеевого соединения с ребрами включается в общую работу, что приводит к...

Сопряжение пластинчатых элементов по шарнирной схеме

Их ориентация в общей системе координат. При необходимости можно через узлы провести вертикальные стержни фиктивной жесткости.

Для моделирования сопряжение кирпичной стены А, с монолитной плитой. По логике вещей жесткие узлы оставлять нельзя, так как в...

Оценка технико-экономических показателей изготовления...

Для оценки вариантов металлических конструкций при их сравнении, при выборе и обосновании проектных решений

Использование при расчете сравниваемых проектных решений различных расчетных условий и

- Производится проверка сварных швов; - Осуществляется...

Исследование статической работы клееных рам

Методикой предусматривалось расчет различных рам методом конечных элементов основные размеры рам приняты из условия предварительных

1/30 пролета рам. Высота поперечного сечения ригеля рам в коньковом узле принимается не менее 0,3 h, а в опорном сечении — не...

Задать вопрос