Помощь студентам в учебе
Численное моделирование НДС комбинированного карнизного узла рамы из тонкостенного гнутого профиля
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 10
1.1 Исторический очерк развития теории расчета тонкостенных стержней 11
1.2 Основы технической теории расчета тонкостенных стержней 18
1.3 Численные методы решения задач расчета тонкостенных стержней 18
1.4 Выводы по главе 1 28
2 КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АНГАРА В ПК ЛИРА-
САПР 30
2.1 Исходные данные 30
2.2 Объемно-планировочное и конструктивное решение 30
2.3 Сбор нагрузок 30
2.3.1 Вертикальные нагрузки 30
2.3.2 Горизонтальные нагрузки 34
2.4 Описание расчетной схемы конструкции ангара и рамы в ПК ЛИРА-
САПР 48
2.5 Создание расчетной схемы ангара в ПК ЛИРА-САПР 48
2.5.1 Выбор стали для конструкций 49
2.5.2 Задание жесткостных характеристик 49
2.5.3 Задание нагрузок 53
2.5.4 Создание таблиц РСУ и РСН 62
2.6 Выводы по главе 2 67
3 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОЛОНН И
РИГЕЛЕЙ РАМЫ 68
3.1 Анализ усилий, возникающих в элементах конструкции ангара в ПК
ЛИРА-САПР 68
3.2 Подбор сечений колонны и ригеля 84
3.2.1 Расчет колонны 85
3.2.1.1 Прочность колонны 85
3.2.1.2 Общая устойчивость колонны 87
3.2.1.3 Устойчивость стенки от местной нагрузки 88
3.2.2 Расчет ригеля 89
3.2.1.1 Прочность ригеля 89
3.2.1.2 Общая устойчивость ригеля 90
3.2.1.3 Устойчивость стенки от местной нагрузки 90
3.2.3 Расчет соединения 90
3.2.3.1 Расчет по несущей способности колонн и ригелей 90
3.2.3.2 Расчет несущей способности болтов по смятию основного
металла 92
3.2.3.3 Расчет несущей способности болтов по вырыванию 93
3.3 Выводы по главе 3 94
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ НДС КАРНИЗНОГО УЗЛА В ПК INVENTOR
4.1 Создание расчетной модели в ПК Inventor 95
4.2 Нагрузки на узел 98
4.3 Напряженно-деформированное состояние узла 99
4.3.1 Первый вариант конструирования фасонки 104
4.3.2 Второй вариант конструирования фасонки 109
4.3.3 Третий вариант конструирования фасонки 114
4.4 Сравнительный анализ НДС узла 119
4.4 Выводы по главе 4 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 124
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 125
1 ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 10
1.1 Исторический очерк развития теории расчета тонкостенных стержней 11
1.2 Основы технической теории расчета тонкостенных стержней 18
1.3 Численные методы решения задач расчета тонкостенных стержней 18
1.4 Выводы по главе 1 28
2 КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АНГАРА В ПК ЛИРА-
САПР 30
2.1 Исходные данные 30
2.2 Объемно-планировочное и конструктивное решение 30
2.3 Сбор нагрузок 30
2.3.1 Вертикальные нагрузки 30
2.3.2 Горизонтальные нагрузки 34
2.4 Описание расчетной схемы конструкции ангара и рамы в ПК ЛИРА-
САПР 48
2.5 Создание расчетной схемы ангара в ПК ЛИРА-САПР 48
2.5.1 Выбор стали для конструкций 49
2.5.2 Задание жесткостных характеристик 49
2.5.3 Задание нагрузок 53
2.5.4 Создание таблиц РСУ и РСН 62
2.6 Выводы по главе 2 67
3 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОЛОНН И
РИГЕЛЕЙ РАМЫ 68
3.1 Анализ усилий, возникающих в элементах конструкции ангара в ПК
ЛИРА-САПР 68
3.2 Подбор сечений колонны и ригеля 84
3.2.1 Расчет колонны 85
3.2.1.1 Прочность колонны 85
3.2.1.2 Общая устойчивость колонны 87
3.2.1.3 Устойчивость стенки от местной нагрузки 88
3.2.2 Расчет ригеля 89
3.2.1.1 Прочность ригеля 89
3.2.1.2 Общая устойчивость ригеля 90
3.2.1.3 Устойчивость стенки от местной нагрузки 90
3.2.3 Расчет соединения 90
3.2.3.1 Расчет по несущей способности колонн и ригелей 90
3.2.3.2 Расчет несущей способности болтов по смятию основного
металла 92
3.2.3.3 Расчет несущей способности болтов по вырыванию 93
3.3 Выводы по главе 3 94
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ НДС КАРНИЗНОГО УЗЛА В ПК INVENTOR
4.1 Создание расчетной модели в ПК Inventor 95
4.2 Нагрузки на узел 98
4.3 Напряженно-деформированное состояние узла 99
4.3.1 Первый вариант конструирования фасонки 104
4.3.2 Второй вариант конструирования фасонки 109
4.3.3 Третий вариант конструирования фасонки 114
4.4 Сравнительный анализ НДС узла 119
4.4 Выводы по главе 4 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 124
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 125
ЛСТК в основном применяется в малоэтажном жилом строительстве, а также в строительстве мансард, ангаров и других малоэтажных конструкциях. Однако в последнее время тонкостенные профили находят свое применение в более сложных строительных конструкциях. К примеру, ферма покрытия пролетом 70 метров, которая построена в Московской области. К основным преимуществам ЛСТК можно отнести экономию материала, легкий вес, малую трудоемкость и быстроту монтажа. Но следует отметить, что легкие стальные холодногнутые конструкции имеют некоторые недостатки и особенности работы, которые осложняют их проектирование. К таковым можно отнести зоны упрочнения в местах гибки или потерю устойчивости поперечного сечения.
Основные преимущества ЛСТК:
1. Легкий вес конструкций. Вес 1 кв. м несущего стального каркаса здания находится в пределах 20-24 кг в зависимости от конфигурации сечения и производителя. В расчетах и конструировании данное преимущество позволяет уменьшать собственный вес конструкций, что сказывается на значениях внутренних силовых факторов.
2. Надежность и продолжительное время жизни. Время жизни зданий определяется в основном сроком службы металлического каркаса, а также ограждающих конструкций, которые также могут быть изготовлены из ЛСТК. Согласно исследованием British Steel время жизни конструкций из JICTK может составлять более 100 лет.
3. Эффективное энергосбережение. Применение эффективного утеплителя в каркасах из перфорированных термопрофилей позволяет получать значения коэффициента теплопроводности 0,045 Вт/(м-к) без учета возможных вариантов утепления по фасаду. Это свойство позволяет значительно снизить издержки при эксплуатации зданий и уменьшить нагрузки на электросети. Данное преимущество позволяет применять ЛСТК в строительстве при низких температурах даже в условиях крайнего севера.
4. Экологичность. В составе конструкций зданий, построенных с применением ЛCTK профиля, в качестве обшивки обычно применяются гипсокартоные листы или стекломагниевые плиты, а в качестве утеплителя минеральная вата. Производство, транспортировка, монтаж и эксплуатация каркасного дома требуют гораздо меньших энергетических затрат, чем традиционные материалы. Здания, построенные из ЛСТК меньше подвержены попаданию излишней влаги.
5. Быстрый эффективный всесезонный монтаж. Будучи «сухим» способом строительства, монтаж дома из тонкостенного профиля может осуществляться всесезонно. Это особенно важно для инвестора и при строительстве экономичного жилья, когда возврат вложенных средств является определяющим фактором. Сокращение сроков строительства каркасного дома и, как следствие, его стоимости, зависит еще и от степени оптимизации строительного процесса.
6. Низкая эксплуатационная стоимость. Здания, построенные с применением тонкостенного профиля, имеют стабильные размеры, хорошо защищены от влияния биологических и температурно-влажностных процессов, долговечны, энергоэкономичны, а при окончании срока службы или при необходимости капитального ремонта не столь затратные, как строения из классических материалов.
7. Не подвержено влиянию биологических процессов. Высокая степень надежности строений из тонкостенных профилей обеспечивается стабильностью размеров стальных профилей, которые не подвержены влиянию биологических и влажностно-температурных процессов в отличие от древесины.
8. Высокая точность при сборке. Самая современная линия по изготовлению легких стальных профилей полностью автоматизирована и управляется одним человеком. Это исключает человеческий фактор и дополнительные измерительные процессы, что позволяет достичь максимальной точности при сборке панелей и уменьшить в разы время строительства дома.
9. Не требует тяжелой грузоподъемной техники. Технология JICTK позволяет осуществлять строительство в условиях тесной городской и загородной застройки без применения тяжелой грузоподъемной техники. Низкие показатели по удельному весу обеспечиваются эффективными конструктивными решениями в сочетании с применением низколегированной конструкционной стали при изготовлении профилей JICTK.
К недостаткам ЛСТК можно отнести:
1. Пожаростойкость. Для обеспечения требуемой несущей способности при пожаре приходится соблюдать определенный "пирог" ограждающих конструкций, который будет предохранять на определенное время несущие элементы каркаса, выполненные из тонкостенного материала. Помимо этого, следует обеспечивать пожаростойкость конструкций использованием современных не горючих материалов, имеющих высшую степень пожаробезопасности и плитным материалом обшивки, количество слоев которой может быть подобрано оптимальным образом под конкретные противопожарные требования.
2. Высокое качество проекта и строительства. Сооружение из JICTK имеет огромное количество несущих элементов и узлов, поэтому проект требует тщательной проработки, высокой степени детализации, точности в размерах. Также возведение сооружений из ЛСТК довольно специфично, поэтому требует специалистов с опытом работы с такими конструкциями.
3. Хрупкость термопрофилей. Термопрофили имеют просечки в стенке по всей длине профиля, что сильно снижает ее жесткость и несущую способность. Данный минус приводит к возможной легкой деформации профиля при небрежном хранении, транспортировке или установке.
4. Экономическая неэффективность при больших пролетах. Сооружения на основе технологии JICTK могут иметь лишь небольшие пролеты, максимум примерно 18 метров. Применение JICTK в зданиях с динамическими нагрузками, кранами и большими пролетами экономически неэффективно.
Повышенные требования к прочности и надежности при уменьшении материалоемкости создают сложные проблемы анализа напряженно- деформированного состояния (НДС) и устойчивости тонкостенных конструкций. В связи с этим одной из главных задач механики тонкостенных конструкций является совершенствование методов расчета и проектирования профилей сложной формы с различными законами изменения толщины, отверстиями и накладками.
Современные требования к теплопередаче через наружные стены привели к тому, что полностью кирпичные наружные стены домов не строятся, так как требуемая толщина кирпичной кладки достигла бы на нижних этажах полутора метров. Следовательно, стеновой материал может быть менее плотным и более теплоэффективным. И этот стеновой материал может быть термопанелью. Термопанелями называются наружные стены, каркас которых составляется из термопрофилей.
Термопрофилями называются гнутые из горячеоцинкованной тонколистовой стали профили, теплопроводность которых существенно ниже теплопроводности традиционных стальных профилей. Хорошие теплотехнические показатели термопрофилей достигаются путем перфорирования стенок профилей.
Современный уровень развития производства характеризуется широким внедрением перфорированных профилей, обладающих конструктивно анизотропными свойствами. Одним из основных требований к конструкциям является разумное соотношение между надежностью и экономичностью. В связи с этим широкое использование анизотропных материалов представляется вполне оправданным. Такие конструкции (в отличие от изотропных), обладают высокой несущей способностью по произвольно выбранным направлениям, что позволяет снизить вес конструкций (обеспечить экономичность) с одновременным увеличением их прочности.
В работе А. П. Филина [2] отмечается, что наличие всевозможных невторостепенных конструктивных особенностей, как, например, отверстия приводят к необходимости их учета. Вместе с тем классические расчетные схемы, методы и алгоритмы расчета оказываются, как правило, в этих случаях малоэффективными.
Основоположниками расчета тонкостенных профилей следует считать профессора С. П. Тимошенко [3], который еще в 1905— 1906 гг. при рассмотрении вопроса об общей устойчивости двутавровой балки исследовал изгибающее действие кручения и вывел формулу угла закручивания балки с одним заделанным концом, которую проверил также опытным путем. В 1910 г. профессор С. П. Тимошенко опубликовал составленное им общее уравнение для угла закручивания двутавровой балки, опертой обоими концами и подверженной по длине своей действию крутящего момента.
В. 3. Власов [4] независимо от других авторов в 1936 г. дал наиболее общую теорию расчета любых тонкостенных незамкнутых профилей на совместное действие изгиба и кручения. Исходя из гипотезы о недеформируемости контура поперечного сечения, он установил общий закон распределения нормальных напряжений в поперечном сечении тонкостенного стержня при совместном действии изгиба и кручения. Поэтому закону нормальные напряжения в самом общем случае работы стержня распределяются по сечению пропорционально секториальной площади.
Г. И. Белым, профессором Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета, предложен приближенный аналитический метод расчета тонкостенных стержней по деформированной схеме [5]. Решение основано на аппроксимации пространственных форм деформирования в виде линейной комбинацией частных форм: форм, полученных недеформационным расчетом, и форм потери устойчивости. Физическая нелинейность учитывается введением дополнительных пространственных перемещений сечений стержня.
Приведенный анализ литературы показал, что большое внимание уделено теории расчета тонкостенных профилей, в том числе методом конечных элементов. Разработаны методики расчета, виды конечных элементов, отвечающих реальной их работе. Возможно применение тонкостенных конечных стержневых элементов, учитывающих не только чистое, но и стесненное кручение при совпадении и несовпадении центров тяжести и изгиба, наличии или отсутствии эксцентриситетов в узлах элементы. Кроме учитываемых, при расчете обычных стержневых систем, степеней свободы в каждом узле: трех линейных и трех угловых, для конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля учитывается седьмая степень свободы узла - депланации сечения. Таким образом, ТКЭ с узлами в начале и конце имеет 14 степеней свободы.
Также возможно применение обычных стержневых конечных элементов. С учетом того, что теория тонкостенных стержней открытого профиля требует введения седьмой степени свободы, следует обратиться к работе А. В. Перельмутера и А. И. Сливкера [6]. Специальный прием позволяет обойти эти затруднения и вводить в каждый из узлов расчетной схемы не более 6 степеней свободы. Этот прием основан на построении специальной модели - «бистержневой моделью тонкостенного стержня».
Но помимо тонкостенных конечных стержневых и стержневых элементов есть и оболочечные элементы. В расчетной практике применяется моделирование тонкостенного стержня набором оболочечных конечных элементов, с помощью которого можно учесть практически все особенности работы такого сооружения. Детальная расчетная модель позволяет корректно учесть возможность потери местной и общей устойчивости.
В зарубежных работах отмечается большое внимание к вопросу потери устойчивости стержней, сравнение экспериментальных данных с численным и теоретическим методами.
Обзор литературы показал, что хорошо проработаны вопросы потери устойчивости профилей и методики их расчета.
Основные преимущества ЛСТК:
1. Легкий вес конструкций. Вес 1 кв. м несущего стального каркаса здания находится в пределах 20-24 кг в зависимости от конфигурации сечения и производителя. В расчетах и конструировании данное преимущество позволяет уменьшать собственный вес конструкций, что сказывается на значениях внутренних силовых факторов.
2. Надежность и продолжительное время жизни. Время жизни зданий определяется в основном сроком службы металлического каркаса, а также ограждающих конструкций, которые также могут быть изготовлены из ЛСТК. Согласно исследованием British Steel время жизни конструкций из JICTK может составлять более 100 лет.
3. Эффективное энергосбережение. Применение эффективного утеплителя в каркасах из перфорированных термопрофилей позволяет получать значения коэффициента теплопроводности 0,045 Вт/(м-к) без учета возможных вариантов утепления по фасаду. Это свойство позволяет значительно снизить издержки при эксплуатации зданий и уменьшить нагрузки на электросети. Данное преимущество позволяет применять ЛСТК в строительстве при низких температурах даже в условиях крайнего севера.
4. Экологичность. В составе конструкций зданий, построенных с применением ЛCTK профиля, в качестве обшивки обычно применяются гипсокартоные листы или стекломагниевые плиты, а в качестве утеплителя минеральная вата. Производство, транспортировка, монтаж и эксплуатация каркасного дома требуют гораздо меньших энергетических затрат, чем традиционные материалы. Здания, построенные из ЛСТК меньше подвержены попаданию излишней влаги.
5. Быстрый эффективный всесезонный монтаж. Будучи «сухим» способом строительства, монтаж дома из тонкостенного профиля может осуществляться всесезонно. Это особенно важно для инвестора и при строительстве экономичного жилья, когда возврат вложенных средств является определяющим фактором. Сокращение сроков строительства каркасного дома и, как следствие, его стоимости, зависит еще и от степени оптимизации строительного процесса.
6. Низкая эксплуатационная стоимость. Здания, построенные с применением тонкостенного профиля, имеют стабильные размеры, хорошо защищены от влияния биологических и температурно-влажностных процессов, долговечны, энергоэкономичны, а при окончании срока службы или при необходимости капитального ремонта не столь затратные, как строения из классических материалов.
7. Не подвержено влиянию биологических процессов. Высокая степень надежности строений из тонкостенных профилей обеспечивается стабильностью размеров стальных профилей, которые не подвержены влиянию биологических и влажностно-температурных процессов в отличие от древесины.
8. Высокая точность при сборке. Самая современная линия по изготовлению легких стальных профилей полностью автоматизирована и управляется одним человеком. Это исключает человеческий фактор и дополнительные измерительные процессы, что позволяет достичь максимальной точности при сборке панелей и уменьшить в разы время строительства дома.
9. Не требует тяжелой грузоподъемной техники. Технология JICTK позволяет осуществлять строительство в условиях тесной городской и загородной застройки без применения тяжелой грузоподъемной техники. Низкие показатели по удельному весу обеспечиваются эффективными конструктивными решениями в сочетании с применением низколегированной конструкционной стали при изготовлении профилей JICTK.
К недостаткам ЛСТК можно отнести:
1. Пожаростойкость. Для обеспечения требуемой несущей способности при пожаре приходится соблюдать определенный "пирог" ограждающих конструкций, который будет предохранять на определенное время несущие элементы каркаса, выполненные из тонкостенного материала. Помимо этого, следует обеспечивать пожаростойкость конструкций использованием современных не горючих материалов, имеющих высшую степень пожаробезопасности и плитным материалом обшивки, количество слоев которой может быть подобрано оптимальным образом под конкретные противопожарные требования.
2. Высокое качество проекта и строительства. Сооружение из JICTK имеет огромное количество несущих элементов и узлов, поэтому проект требует тщательной проработки, высокой степени детализации, точности в размерах. Также возведение сооружений из ЛСТК довольно специфично, поэтому требует специалистов с опытом работы с такими конструкциями.
3. Хрупкость термопрофилей. Термопрофили имеют просечки в стенке по всей длине профиля, что сильно снижает ее жесткость и несущую способность. Данный минус приводит к возможной легкой деформации профиля при небрежном хранении, транспортировке или установке.
4. Экономическая неэффективность при больших пролетах. Сооружения на основе технологии JICTK могут иметь лишь небольшие пролеты, максимум примерно 18 метров. Применение JICTK в зданиях с динамическими нагрузками, кранами и большими пролетами экономически неэффективно.
Повышенные требования к прочности и надежности при уменьшении материалоемкости создают сложные проблемы анализа напряженно- деформированного состояния (НДС) и устойчивости тонкостенных конструкций. В связи с этим одной из главных задач механики тонкостенных конструкций является совершенствование методов расчета и проектирования профилей сложной формы с различными законами изменения толщины, отверстиями и накладками.
Современные требования к теплопередаче через наружные стены привели к тому, что полностью кирпичные наружные стены домов не строятся, так как требуемая толщина кирпичной кладки достигла бы на нижних этажах полутора метров. Следовательно, стеновой материал может быть менее плотным и более теплоэффективным. И этот стеновой материал может быть термопанелью. Термопанелями называются наружные стены, каркас которых составляется из термопрофилей.
Термопрофилями называются гнутые из горячеоцинкованной тонколистовой стали профили, теплопроводность которых существенно ниже теплопроводности традиционных стальных профилей. Хорошие теплотехнические показатели термопрофилей достигаются путем перфорирования стенок профилей.
Современный уровень развития производства характеризуется широким внедрением перфорированных профилей, обладающих конструктивно анизотропными свойствами. Одним из основных требований к конструкциям является разумное соотношение между надежностью и экономичностью. В связи с этим широкое использование анизотропных материалов представляется вполне оправданным. Такие конструкции (в отличие от изотропных), обладают высокой несущей способностью по произвольно выбранным направлениям, что позволяет снизить вес конструкций (обеспечить экономичность) с одновременным увеличением их прочности.
В работе А. П. Филина [2] отмечается, что наличие всевозможных невторостепенных конструктивных особенностей, как, например, отверстия приводят к необходимости их учета. Вместе с тем классические расчетные схемы, методы и алгоритмы расчета оказываются, как правило, в этих случаях малоэффективными.
Основоположниками расчета тонкостенных профилей следует считать профессора С. П. Тимошенко [3], который еще в 1905— 1906 гг. при рассмотрении вопроса об общей устойчивости двутавровой балки исследовал изгибающее действие кручения и вывел формулу угла закручивания балки с одним заделанным концом, которую проверил также опытным путем. В 1910 г. профессор С. П. Тимошенко опубликовал составленное им общее уравнение для угла закручивания двутавровой балки, опертой обоими концами и подверженной по длине своей действию крутящего момента.
В. 3. Власов [4] независимо от других авторов в 1936 г. дал наиболее общую теорию расчета любых тонкостенных незамкнутых профилей на совместное действие изгиба и кручения. Исходя из гипотезы о недеформируемости контура поперечного сечения, он установил общий закон распределения нормальных напряжений в поперечном сечении тонкостенного стержня при совместном действии изгиба и кручения. Поэтому закону нормальные напряжения в самом общем случае работы стержня распределяются по сечению пропорционально секториальной площади.
Г. И. Белым, профессором Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета, предложен приближенный аналитический метод расчета тонкостенных стержней по деформированной схеме [5]. Решение основано на аппроксимации пространственных форм деформирования в виде линейной комбинацией частных форм: форм, полученных недеформационным расчетом, и форм потери устойчивости. Физическая нелинейность учитывается введением дополнительных пространственных перемещений сечений стержня.
Приведенный анализ литературы показал, что большое внимание уделено теории расчета тонкостенных профилей, в том числе методом конечных элементов. Разработаны методики расчета, виды конечных элементов, отвечающих реальной их работе. Возможно применение тонкостенных конечных стержневых элементов, учитывающих не только чистое, но и стесненное кручение при совпадении и несовпадении центров тяжести и изгиба, наличии или отсутствии эксцентриситетов в узлах элементы. Кроме учитываемых, при расчете обычных стержневых систем, степеней свободы в каждом узле: трех линейных и трех угловых, для конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля учитывается седьмая степень свободы узла - депланации сечения. Таким образом, ТКЭ с узлами в начале и конце имеет 14 степеней свободы.
Также возможно применение обычных стержневых конечных элементов. С учетом того, что теория тонкостенных стержней открытого профиля требует введения седьмой степени свободы, следует обратиться к работе А. В. Перельмутера и А. И. Сливкера [6]. Специальный прием позволяет обойти эти затруднения и вводить в каждый из узлов расчетной схемы не более 6 степеней свободы. Этот прием основан на построении специальной модели - «бистержневой моделью тонкостенного стержня».
Но помимо тонкостенных конечных стержневых и стержневых элементов есть и оболочечные элементы. В расчетной практике применяется моделирование тонкостенного стержня набором оболочечных конечных элементов, с помощью которого можно учесть практически все особенности работы такого сооружения. Детальная расчетная модель позволяет корректно учесть возможность потери местной и общей устойчивости.
В зарубежных работах отмечается большое внимание к вопросу потери устойчивости стержней, сравнение экспериментальных данных с численным и теоретическим методами.
Обзор литературы показал, что хорошо проработаны вопросы потери устойчивости профилей и методики их расчета.
ЛСТК широко применяется в малоэтажном жилом строительстве, строительстве складов, ангаров, мансард. К основным преимуществам следует отнести экономию металла, низкий вес и быстроту монтажа. Однако стальные хладногнутые элементы имеют ряд особенностей работы, таких как наличие зон упрочнения в местах гиба, присущая только тонкостенным элементам потеря устойчивости поперечного сечения. Большой проблемой проектирования конструкций из ЛСТК является отсутствие соответствующей нормативной базы в России.
Наиболее распространённый численный метод расчета - метод конечных элементов (МКЭ). Применение МКЭ связано с предварительным разбиением континуальной области на конечные элементы какой-либо формы и представлением решения в пределах элемента в виде многочлена с малым конечным носителем. Система уравнений МКЭ непосредственно получается из условия минимума полной потенциальной энергии, т. е. из вариационного уравнения Лагранжа. Расчет конструкций из тонкостенных стержней может выполняться с использованием конечных элементов двух типов: оболочечные и стержневые.
В данной квалификационной научной работе были реализованы следующие научно-технические задачи:
1. Произведено конечноэлементное моделирование ангара пролетом 12 м в ПК ЛИРА-САПР с учетом требований действующих норм и правил проектирования.
2. Выявлено наиболее опасное сочетание нагрузок и усилий, возникающих в элементах ангара, а также произведен анализ этих усилий.
3. На основании полученных усилий был произведен подбор сечений для колонн, ригелей и узла их сочленения с учетом требований действующих норм и правил проектирования, в особенности недавно введенного СП 260.1325800.2016.
4. Замоделирован карнизный узел в ПК Inventor 2017. Исследовано напряженно-деформированное состояние узла поперечной рамы с комбинированным соединением холодногнутого профиля и горячекатанного листа в качестве фасонки.
5. Исследовано 3 дополнительных варианта конструирования карнизного узла с разными размерами фасонки: 600x600 мм, 700x700 мм и 800x800 мм. Показано, что наиболее предпочтительным решением является вариант с размерами фасонки 800x800 мм, который обеспечивает выполнение требований 1 и 2 предельных состояний для поперечной рамы.
Наиболее распространённый численный метод расчета - метод конечных элементов (МКЭ). Применение МКЭ связано с предварительным разбиением континуальной области на конечные элементы какой-либо формы и представлением решения в пределах элемента в виде многочлена с малым конечным носителем. Система уравнений МКЭ непосредственно получается из условия минимума полной потенциальной энергии, т. е. из вариационного уравнения Лагранжа. Расчет конструкций из тонкостенных стержней может выполняться с использованием конечных элементов двух типов: оболочечные и стержневые.
В данной квалификационной научной работе были реализованы следующие научно-технические задачи:
1. Произведено конечноэлементное моделирование ангара пролетом 12 м в ПК ЛИРА-САПР с учетом требований действующих норм и правил проектирования.
2. Выявлено наиболее опасное сочетание нагрузок и усилий, возникающих в элементах ангара, а также произведен анализ этих усилий.
3. На основании полученных усилий был произведен подбор сечений для колонн, ригелей и узла их сочленения с учетом требований действующих норм и правил проектирования, в особенности недавно введенного СП 260.1325800.2016.
4. Замоделирован карнизный узел в ПК Inventor 2017. Исследовано напряженно-деформированное состояние узла поперечной рамы с комбинированным соединением холодногнутого профиля и горячекатанного листа в качестве фасонки.
5. Исследовано 3 дополнительных варианта конструирования карнизного узла с разными размерами фасонки: 600x600 мм, 700x700 мм и 800x800 мм. Показано, что наиболее предпочтительным решением является вариант с размерами фасонки 800x800 мм, который обеспечивает выполнение требований 1 и 2 предельных состояний для поперечной рамы.