Стаття Технології побудови розрахункових моделей та аналізу результатів у системі SCAD Office

Технології побудови розрахункових моделей та аналізу результатів у системі SCAD Office. Моделі металокаркасів

Завантажити статтю у форматі PDF - 297 Кбайт

У цій статті розглянемо підходи до побудови розрахункових моделей металокаркасів на прикладі цеху безперервного розливання сталі. Не вдаючись глибоко в конструктивні подробиці, наведемо основні характеристики будівлі:

Будівля двопрогонова (25+31,5) х94 м.
Висота до низу несучих конструкцій покриття – 38,5 м.
Висота по ковзані ліхтаря - 47,6 м.
Кранове обладнання - підвісні крани вантажопідйомністю 10 тонн та мостові крани вантажопідйомністю 125 та 400 тонн.
Частина каркасу будівлі нижче за підкранові балки складається з двогілкових колон.
Підкранові балки коробчатого перерізу.
На балки підкранові спираються поздовжні ферми, до яких приєднуються поперечні ферми.

Загальні види розрахункової моделі будівлі у різних проекціях (зокрема з відображенням перерізів елементів) представлені на рис. 1.

Розглянемо короткий опис розрахункової моделі, а потім докладніше зупинимося на способах моделювання та розрахунку двогалузевої колони.

Модель містить 11298 вузлів, 13701 елемент, 65718 невідомих та 69 завантажень. Час повного (статика, РСУ, комбінації, еквівалентна напруга) розрахунку мультифронтальним методом на комп'ютері з процесором Pentium IV, 1,8 ГГц і 744 Мб ОЗУ становить 21,35 хв., при цьому вибір РСУ в системі SCAD здійснюється лише за 8 хв. , Що, на наш погляд, дуже швидко і говорить про продуманість алгоритмів, а також коректність їх програмної реалізації, враховуючи досить велику кількість завантажень. Передбачаючи питання щодо доцільності побудови просторових моделейвиробничих будівель, зазначимо таке:

Зазначена модель будувалася поетапно згори донизу. Спочатку була побудована та розрахована модель поперечної ферми покриття, потім модель поперечної рами і лише після цього будувалася модель усієї будівлі.
Просторові моделі будівель з металокаркасів мають сенс застосовувати лише за наявності в такій будівлі кранового обладнання. Модель дозволяє враховувати включення в роботу всієї будівлі при впливі гальмівних навантажень (до речі, про це йдеться у багатьох книгах, присвячених розрахункам та проектуванням металевих конструкцій). На рис. 2 представлена картина деформованого стану при впливі гальмівного кранового навантаження на поперечну раму по осі 6 (виразно видно включення в роботу всього каркаса будівлі за рахунок зв'язків з покриття та жорсткості балок підкранових).
За відсутності кранових навантажень і впливу в поперечному напрямку лише вітрового навантаження всі рами працюють однаково. Це дозволяє обмежитися розрахунком серії плоских моделей, окремо рядової рами, рами фахверка і блоку зв'язку в поздовжньому напрямку.

Усі несучі конструкції, крім підкранових балок, змодельовані стрижневими елементами 5-го типу (просторові стрижні), а грати колон – елементами 4-го типу (стрижні просторових ферм). Підкранові балки змодельовані оболонковими елементами 44-го типу, що дозволяє врахувати реальні розміри балки підкранової перетином 2×3 метри з листової сталі товщиною 30 мм. Зона стику підкранової балки з колоною показана на рис. 3.

Слід зазначити, що у цьому випадку такий підхід виявляється найбільш ефективним, оскільки дозволяє безпосередньо аналізувати напруги в оболонках, використовуючи різні теорії міцності. Можливість виведення напругMS Excel забезпечує дуже швидкий пошук найбільш навантажених елементів. Отримана за допомогою SCAD кольорографічна картина розподілу нормальних напруг у підкрановій балці представлена на рис. 4. Класичний для будівельників підхід - моделювання стрижнями - викликає труднощі як при побудові розрахункової моделі, адекватної реальності, так і при аналізі результатів: до напруги доводиться переходити «вручну», через M, N, Q, що не тільки незручно, але і пов'язано з ризиком вчинення помилок. Дещо відступаючи від моделі, зазначимо також, що використання оболонкових елементів дозволяє за допомогою модуля стійкості, реалізованого в системі SCAD, вирішувати завдання втрати стійкості плоскої форми вигину перерізів будь-якої форми. Подібний розрахунок через формули СНиП практично неможливий через відсутність даних коефіцієнтаφb.

Перейдемо до розгляду моделі двогілки колони поперечної рами, зображеної на рис. 5, та можливостям її розрахунку за допомогою системи SCAD.

Перш ніж вибрати спосіб побудови розрахункової моделі SCAD, необхідно визначитися з наступними питаннями:

Які види перевірок слід виконати під час розрахунку того чи іншого елемента конструкції?
Які види перевірок можуть бути автоматично реалізовані у системі SCAD 1?
Які види перевірок доведеться виконувати «вручну» або за допомогою програм, що працюють за принципом інженерного калькулятора (наприклад, «Кристал») і які для цього знадобляться вихідні дані?

Тільки отримавши відповідь на всі ці питання, слід приступати до побудови розрахункової моделі або серії моделей, кожна з яких враховує особливості елемента конструкції, що розраховується.

Спочатку докладніше розглянемо пристрій моделі двогілковоїколони, а потім покажемо, які види перевірок ця модель закриває автоматично і проведемо порівняння з класичним підходом, представленим у всіх підручниках з металоконструкцій. На рис. 6 показаний фрагмент моделі з відображенням типів кінцевих елементів, закріплень та об'єднань переміщень у вузлах (на жаль, рамки журнальної статті не дозволяють розглянути порядок побудови такої моделі).

Модель влаштована таким чином:

Колона змодельована не у вигляді одного стрижня, а так, як вона виглядає в реальності: у вигляді двох гілок та ґрат.
Гілки колони змодельовані стрижневими елементами 5-го типу з відстанню між ними, що дорівнює відстані між центрами ваги гілок (2,5 м). При цьому обидві гілки представлені у вигляді зварних двотаврів, заданих параметричним способом призначення жорстких характеристик. Насправді зовнішня гілка має переріз швелера, але її довелося задавати еквівалентним за площею двотавром, оскільки в системі не реалізована автоматична перевірка міцності параметрично заданих швелера.
Ґрати змодельовані стрижневими елементами 4-го типу (елементи просторової ферми). При цьому наявність у вузлах елементів 4 типу лише поступальних ступенів свободи автоматично забезпечує шарнірне приєднання елементів решітки до елементів гілок. Слід зазначити, що для моделювання грат цілком можливо використовувати і елементи 5-го типу, але при цьому доведеться задавати шарніри у вузлах елементів решітки.
З міркувань наочності побудови та візуалізації моделі елементи решітки рознесені від елементів гілок на певну умовну відстань, прийняту в даній моделі рівним фактичним відстанню від осі колони до осі решітки. Для забезпечення спільності деформацій вузли решіткиоб'єднані у групи об'єднання переміщень за поступальними ступенями свободи. Грати виконані з куточка, заданого в розрахунковій моделі шляхом вибору із сортаменту металопрокату.
У моделі, використаній для розрахунку на міцність та стійкість, нижні вузли гілок та решітки закріплені у всіх напрямках.
Для розрахунку навантажень на фундаменти у вигляді М, N, Q від усієї колони доводиться використовувати ще одну модель, в якій додаються два горизонтальні елементи (на рис. 7 це елементи № 13723 і 13724) і один вертикальний (елемент № 13729 на рис 7), розташований строго по центру тяжкості всієї колони з жорсткістю свідомо більшою, ніж жорсткість колони. Серед інженерів, які використовують такий підхід при моделюванні двогілкових колон, цей вертикальний елемент отримав назву «пенек».

У таблиці 1 представлений необхідний перелік перевірок для двогілки колони і зіставлена ступінь автоматизації робіт при підході до моделювання, описаному в цій статті, і при класичному підході до побудови моделі у вигляді стрижня з наведеними жорсткими характеристиками. Порівнювані моделі показано на рис. 8.