Расчетов строительных конструкций

для студентов строительных специальностей

 

Омск • 2010

Министерство образования и науки РФ

ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная

Академия (СибАДИ)»

 

Кафедра строительных конструкций

 

 

РАСЧЕТ СТРОИТЕЛЬНЫХ

КОНСТРУКЦИЙ В ПК ЛИРА.

РАМА

 

 

Методические указания к выполнению

расчетов строительных конструкций

для студентов строительных специальностей

 

Составители: В.А. Рудак, Н.В. Беляев

 

 

Омск

СибАДИ

 

УДК 681.5: 621.08

ББК 31.965: 39.311–06.5

 

 

Рецензент канд. техн. наук, доц/ Р.Ю. Сухарев

 

 

Работа одобрена научно–методическим советом специальностей 270102 «Промышленно-гражданское строительство» в качестве методических указаний для студентов специальностей: 270102 ПГС, 270114 ПЗ, 270115 ЭУН, 270105 ГСХ, 270106 ПСК.

 

Расчет строительных конструкций в ПК ЛИРА. Рама: методические указания к выполнению расчетов строительных конструкций для студентов строительных специальностей сост.: В.А. Рудак, Н.В. Беляев.– Омск: СибАДИ, 2011. – 40 с.

 

 

В методических указаниях рассматривается технология моделирования и численного анализа конструкций в системе автоматизированного расчета и проектирования программного комплекса ЛИРА.

Мы рассчитываем на читателя, знающего основы сопротивления материалов, строительной механики и строительных конструкций.

В работе подробно изложена последовательность расчета плоской рамы: создание расчетной схемы, задание жесткостных параметров элементам рамы, задание граничных условий, задание нагрузок, статический расчет рамы, просмотр и анализ результатов расчета, вывод результатов расчета на жесткие носители.

Методические указания могут быть полезны студентам и аспирантам строительных вузов, инженерам, научным работникам, чья деятельность связана с расчетами строительных конструкций или ведет исследования в области механики твердого тела.

 

 

Ил. 25. Библиогр.: 3 назв.

 

 

© ГОУ «СибАДИ», 2010

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………..……………4

1. Элементы интерфейса ПК ЛИРА …………..…………………………..………..5

1.1. Меню «Файл» …………………………………………………..……….………...5

1.2. Меню «Режим» ……………………………………………….…....…...…………5

1.3. Меню «Вид» …………………………………………………….…....…………...5

1.4. Меню «Выбор» …………………………………………………………………...6

1.5. Меню «Схема» ……………………………………………….…………………...8

1.5.1. Подменю «Создание» …………………………………………………………..9

1.5.2. Подменю «Корректировка» ………………………………..…………………..9

1.6. Меню «Жесткости» ……………………………………..…………....………….10

1.7. Меню «Нагрузки» ………………………………………………..…….………..11

1.8. Меню «Опции» ………………………………………………..…...….………....11

1.9. Меню «Окно» …………………………………………………….……………...12

2. Компоновка поперечника …………………………………….……...………....12

3. Формирование расчетной схемы …………………………………………….....14

3.1. Создание новой задачи………………………………………….…….............…14

3.2. Создание геометрической модели…………………………….………………...14

3.2.1. Удаление элемента……………………………………………………………..17

3.3. Установка связей в узлах……………………………………….…...…………..18

3.4. Назначение шарниров…………………………………….…………....………...18

3.5. Задание типов жесткости и их назначение……………………………………..20

3.5.1. Формирование типов жесткости……………………………………………....20

3.5.2. Назначение жесткостей элементам рамы…………………………………….23

3.5.3. Упаковка расчетной схемы…………………………………………………....24

4. Назначение нагрузок …………………………………………..………...............25

4.1. Выбор загружения……………………………………………………………......25

4.2. Постоянные нагрузки………………………………………….……….………...25

4.2.1. Загружение собственным весом каркаса……………………..……………....25

4.2.2. Загружение собственным весом……………………………………………... 26

4.3. Временная нагрузка на этаж……………………………….…………………....28

4.4. Снеговая нагрузка……………………………………………..………..………..28

4.5. Ветровая нагрузка…………………………………………….………...………..28

5. Результаты расчета …………………………………………..…………..............29

5.1. Выбор режима просмотра результатов………………………………..………..29

5.2. Смена номера текущего загружения………………………………….………...30

5.3. Вывод на экран эпюр внутренних усилий……………………..……...………..30

5.4. Вывод на экран мозаики перемещения……………………..………...………...32

5.5. Формирование стандартных и интерактивных таблиц……………..………....33

5.6. Фрагментация………………………………………………...…………..............35

5.7. Графический контейнер……………………………………..…..……………....36

6. Формирование отчета ………………………………………….…..………….…37

7. Алгоритм расчета ……………………………………………..……………….…37

Библиографический список………………………………………….………............38

ВВЕДЕНИЕ

 

Программный комплекс ЛИРА (ПК ЛИРА) – это многофункциональный программный комплекс для расчета, моделирования работы, исследования и проектирования строительных конструкций различного назначения.

ПК ЛИРА с успехом применяется в расчетах объектов строительства, машиностроения, мостостроения, атомной энергетики, нефтедобывающей промышленности и во многих других сферах, где актуальны методы строительной механики.

В ПК ЛИРА включено большое количество типов конечных элементов: стержни, четырехугольные и треугольные элементы мембраны, плиты и оболочки на упругом основании; пространственные элементы и др.

Расчет выполняется на статические, динамические и температурные нагрузки. Статические нагрузки моделируют силовые воздействия от сосредоточенных или распределенных сил или моментов, температурного нагрева и перемещений отдельных областей конструкции. Динамические нагрузки моделируют воздействия от землетрясения, пульсирующего потока ветра, вибрационные или ударные воздействия от технологического оборудования, ударные воздействия. ПК ЛИРА автоматизирует ряд процессов проектирования: определение расчетных сочетаний нагрузок и усилий, подбор и проверка сечений стальных и железобетонных конструкций с формированием эскизов рабочих чертежей конструктивных элементов.

ПК ЛИРА позволяет исследовать общую устойчивость рассчитываемой модели, проверить прочность сечений элементов.

ПК ЛИРА предоставляет возможность производить расчеты объектов с учетом физической и геометрической нелинейностей, моделировать процесс возведения сооружения с учетом монтажа и демонтажа элементов.

Развитые системы документирования позволяют оформлять отчеты по результатам работы в виде, удовлетворяющем требованиям пользователя: назначить требуемые виды таблиц, монтировать текстовую информацию совместно с графической, получать твердые копии на любых выводящих устройствах.

ПК ЛИРА поддерживает информационную связь с другими широко распространенными CAD–системами, такими как AutoCAD и ArchiCAD.

 

ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕРФЕЙСА ПК ЛИРА

 

Интерфейс ПК ЛИРА стандартен для Windows-приложений. В самом верху окна располагается главное меню в виде текстовых панелей инструментов. Под ними - их копирующие панели с ярлыками для быстрого обращения к требуемой функции.

Дадим пояснения к наиболее часто используемым из них.

 

Меню «Файл»

 

(Файл / Новый) – создание новой задачи, для которой нужно ввести имя и признак схемы.

(Файл / Сохранить) – сохранение текущей задачи под исходным именем, а также промежуточное сохранение данных.

(Файл / Открыть) – загрузка созданного ранее файла с исходными данными.

 

Меню «Режим»

 

ПК ЛИРА может находиться в режиме формирования расчетной схемы или режиме визуализации результатов расчета.

(Режим / Выполнить расчет) – выполнить расчет задачи.

(Режим / Результаты расчета) – переключить на режим визуализации результатов расчета.

(Режим / Расчетная схема) – переключить на режим формирования расчетной схемы конструкции (этот режим включен по умолчанию при запуске).

 

Меню «Вид»

 

В ПК ЛИРА на уровне задания, обработки и анализа принимаются три системы координат: глобальная (или общая), местная, локальная.

Глобальная система координат XYZ – всегда правая декартовая – служит для описания координат узлов всей схемы, для определения направления степеней свободы, идентификации перемещений узлов, назначения нагрузок.

Таким образом, расчетная схема располагается в правой декартовой системе координат. О местной и локальной СК поговорим позднее.

В меню «Вид» имеется возможность изобразить модель в одной из проекций:

(Вид / Изометрия) – изобразить схему в изометрической проекции.

(Вид / Проекция на плоскость XOZ) – показать проекцию на плоскость XOZ.

(Вид / Проекция на плоскость XOY) – показать проекцию на плоскость XOY.

(Вид / Проекция на плоскость YOZ) – показать проекцию на плоскость YOZ.

Для удобства отображения расчетной схемы используются инструменты:

(Вид / Увеличить)– детальное изображение фрагмента расчетной схемы.

(Вид / Исходный размер)– размещение расчетной схемы с наиболее рациональным использованием площади рабочего окна.

Для отображения отдельного конструктивного элемента вне схемы используются следующие функции:

«Фрагментация» (Вид / Фрагментация) – отображение на экране только заранее отмеченных узлов и элементов схемы (одним из способов, указанных ниже).

«Инверсная фрагментация» (Вид / Инверсная фрагментация) – отображение на экране только неотмеченных узлов и элементов схемы.

«Восстановление конструкции» (Вид / Восстановление конструкции) – восстановление расчетной схемы конструкции в первоначальном виде после операций «Фрагментация» и «Инверсная фрагментация».

 

Меню «Выбор»

 

(Выбор / Отметка узлов) – отметка узлов на схеме одиночным указанием курсора или растягиванием рамки вокруг нужных узлов.

(Выбор / Отметка элементов) – отметка элементов на схеме одиночным указанием курсора или растягиванием рамки вокруг нужных элементов.

(Выбор / Отмена выделения) – отмена сделанной ранее отметки узлов и элементов.

(Выбор / Информация об узле или элементе) – вывод на экран диалоговых окон с информацией об узлах и элементах схемы и их атрибутах.

(Выбор / Информация о размерах) – появляется диалоговое окно, которое предназначено для вычисления геометрических параметров схемы, – расстояний между двумя узлами, углов, площадей плоских фигур и содержит три соответствующие закладки.

(Выбор / Полифильтр) – полифильтр. Управление отображением расчетной схемы и ее атрибутов. Окно, вызванное нажатием этого ярлыка, имеет следующие закладки.

– фильтр для узлов. Отметка узлов может осуществляться по следующим параметрам:

– по номерам;

– по связям;

– по группам объединения перемещений;

– по координатам с заданной окрестностью;

– по наличию локальных систем координат;

– по суперузлам.

– фильтр для элементов. Отметка элементов может быть произведена по следующим параметрам:

– по номерам;

– по виду (двухузловой, трехузловой и т.п.);

– по типу КЭ;

– по типу жесткости;

– по ориентации в глобальной системе координат (параллельность главным осям или плоскостям);

– по углу согласования местных осей пластин;

– для стержней – по наличию шарниров, жестких вставок и углов поворота местных осей.

– фильтр по геометрии КЭ. Отметка элементов может быть произведена по следующим параметрам:

– длина стержня;

– длина ребра пластины;

– угол между ребрами пластины;

– площадь пластины;

– площадь грани пространственного КЭ;

– объем пространственного КЭ.

– фильтр для нагрузок. Отметка нагрузок осуществляется в соответствии с общим списком нагрузок текущего загружения.

– фильтр для усилий и перемещений. Отметка осуществляется по диапазону значений в интервале или дискретно.

 

Меню «Схема»

 

(Схема / Признак схемы) – изменение признака схемы. Вызывается соответствующее диалоговое окно, в котором пользователь может изменить имя задачи, признак схемы и описание задачи.

Для расчетных схем, в которых количество степеней свободы в узле заведомо меньше 6 (плоские фермы, плоские рамы и т.п.), применяется так называемый признак схемы. В ПК ЛИРА задействованы пять признаков схемы:

Признак 1 – схемы, располагаемые в плоскости XOZ; каждый узел имеет 2 степени свободы – линейные перемещения вдоль осей X, Z или X2, Z2. В этом признаке схемы рассчитываются, например, плоские фермы и балки-стенки.

Признак 2 – схемы, располагаемые в плоскости XOZ; каждый узел имеет 3 степени свободы – линейные перемещения вдоль осей X, Z или X2, Z2 и поворот вокруг оси Y или Y2. В этом признаке схемы рассчитываются плоские рамы и допускается включение элементов ферм и балок–стенок.

Признак 3 – схемы, располагаемые в плоскости XOY; каждый узел имеет 3 степени свободы – линейное перемещение вдоль оси, Z или Z2 и повороты вокруг осей X, Y или X2, Y2. В этом признаке рассчитываются балочные ростверки и плиты; допускается учет упругого основания.

Признак 4 – пространственные схемы, каждый узел которых имеет 3 степени свободы – линейные перемещения вдоль осей X, Y, Z или X2, Y2, Z2. В этом признаке рассчитываются пространственные фермы и объемные тела.

Признак 5 – пространственные схемы общего вида с 6 степенями свободы в узле. В этом признаке схемы рассчитываются пространственные каркасы, оболочки и допускается включение объемных тел, учет упругого основания и т.п.

(Схема / Связи)– установка связей для отмеченных узлов. В диалоговом окне указываются направления, по которым требуется запретить перемещения узлов – X, Y, Z, UX, UY, UZ. Удаление связей производится аналогично.

 

1.5.1. Подменю «Создание»

(Схема / Создание / Регулярные фрагменты и сети) – Генерация регулярных фрагментов. Диалоговое окно содержит пять закладок для задания регулярных фрагментов – рам, ростверков, балок–стенок, плити плоских оболочек, сетей.

(Схема / Создание / Фермы) – Генерация фермы по очертанию пояса, по очертанию решетки и задание численных параметров.

(Схема / Создание / Создание и триангуляция контуров) – Создание плоского фрагмента с автоматическим нанесением конечноэлементной сети. Диалоговое окно содержит 3 закладки, соответствующие трем различным способам создания плоских фрагментов схем и триангуляции этих фрагментов: простой контур, контур с отверстиями, редактор контуров.

 

1.5.2. Подменю «Корректировка»

 

(Схема / Корректировка / Удаление) – удаление предварительно отмеченных на схеме узлов и элементов.

(Схема / Корректировка / Упаковка схемы) – в диалоговом окне можно заказать упаковку данных и перенумерацию узлов и элементов схемы с учетом удаленных, а также "сшивку" совпадающих узлов и элементов, образовавшихся после выполнения операций «Сборка», «Копирование» и других операций с геометрией расчетной схемы.

(Схема / Корректировка / Переместить выбранные объекты) – перемещение выбранных объектов. Диалоговое окно содержит 5 закладок:

– перемещение по параметрам;

– перемещение по одному узлу;

– перемещение по двум узлам;

– перемещение поворотом;

– перемещение симметрично.

(Схема / Корректировка / Копировать выбранные объекты) – копирование выбранных объектов. Диалоговое окно содержит те же 5 закладок, что и при перемещении.

(Схема / Корректировка / Добавить узел) – добавить узел. Диалоговое окно предназначено для добавления узлов в расчетную схему и содержит 6 закладок, которые предоставляют следующие возможности задания узлов:

– по координатам;

– на сети;

– по окружности;

– по формуле;

– делением на N равных частей;

– делением на две части по пропорции.

(Схема / Корректировка / Добавить элемент) – добавить элемент. Диалоговое окно предназначено для добавления элементов в расчетную схему и содержит 6 закладок, которые предоставляют возможности задания следующих элементов:

– добавить стержень;

– добавить трехузловую пластину;

– добавить четырехузловую пластину;

– добавить одноузловые элементы;

– добавить стержень делением на N равных частей;

– добавить стержень делением на две части по пропорции.

 

Меню «Жесткости»

 

(Жесткости / Жесткости элементов) – задание и назначение жесткости. Выбор требуемых типов (параметров) жесткости из библиотеки жесткостных характеристик.

Заданные жесткости необходимо присвоить конечным элементам схемы. Нажав кнопку «Добавить», вы получаете доступ к трем закладкам с библиотеки типов сечений: стандартные типы сечений (металлические, деревянные, каменные, ЖБ), база стальных сечений (типовые сечения стального проката и составные сечения из них), модели пластин и объемных элементов, а также численных жесткостных параметров.

(Жесткости / Шарниры) – Шарниры. Диалоговое окно предназначено для задания шарниров в начале (1–й узел) и/или в конце (2–й узел) стержня. Удаление шарниров производится аналогично.

Для моделирования грунтового основания предназначено диалоговое окно «Коэффициенты постели С1 и С2» (Жесткости / Коэффициенты постели С1 и С2) для задания коэффициентов постели С1 и С2 на отмеченный элемент или группу элементов.

 

Меню «Нагрузки»

 

(Нагрузки / Выбор загружения) – Изменить номер текущего (активного) загружения.

(Нагрузки / Нагрузка на узлы и элементы) – Генерация нагрузки. Диалоговое окно содержит закладки для задания нагрузок на узлы, стержни, пластины, объемные элементы и суперэлементы, а также для задания нагрузок по расчету на динамику во времени. Окно содержит также закладку для корректировки или удаления нагрузок текущего загружения.По умолчанию принимается, что нагрузки принадлежат одному и тому же текущему загружению, номер которого был задан заранее. В окне содержатся радиокнопки для задания систем координат – глобальной, местной (для элемента), локальной (для узла) и направления воздействия – X, Y, Z, а также кнопки для задания статической нагрузки (коричневый цвет), заданного смещения (желтый цвет) и динамического воздействия (розовый цвет) – меню этих кнопок изменяется в зависимости от типа загружаемого конечного элемента. При нажатии данных кнопок вызывается диалоговое окно для задания параметров нагрузки. Приложенные нагрузки и воздействия заносятся в поле списка нагрузок – Текущая нагрузка.

По заданным параметрам сечений и назначению загружения ПК ЛИРА производит загружение собственным весом автоматически. Всем элементам конструкции автоматически назначается равномерно распределенная нагрузка (Нагрузки / Добавить собственный вес), равная приведенному весу элементов.

 

Меню «Опции»

 

(Опции / Флаги рисования) – установка флагов рисования. Вызывается диалоговое окно «Показать», которое предназначено для установки флагов рисования, то есть информации, изображаемой непосредственно на схеме, а также опций отображения схемы. Диалоговое окно содержит четыре закладки: элементы, узлы, общие, результаты. Закладка « Результаты» доступна только в режиме визуализации результатов расчета.

Также важно отметить наличие следующих пунктов этого меню:

– установка единиц измерения (Опции / Единицы измерения). В диалоговом окне настраивается работа системы на удобные для пользователя единицы измерения при описании расчетной схемы конструкции и для прочтения результатов расчета;

– точность упаковки (Опции / Параметры настройки / Точность). Максимальное расстояние между двумя узлами, при котором будет производиться упаковка этих узлов в один;

– смена шрифта (Опции / Среда / Шрифт). Задание типа и размера шрифта, который будет использоваться при выводе информации на экран, выбирая нужную строку из списка в соответствующих окнах.

 

Меню «Окно»

(Окно / Документатор) – вызов системы «Документатор» для создания, компоновки и вывода на печать чертежей, предназначенных для документирования текущей задачи. Графическими образами, попадающими на листы чертежей системы «Документатор», могут быть различные зафиксированные варианты расчетной схемы и результатов расчета (эпюры усилий, мозаики перемещений узлов и т.п.), интерактивные таблицы и др.

(Окно / Интерактивные таблицы) – создание и просмотр таблиц в интерактивном режиме, позволяющем компоновать и выводить на печать таблицы, необходимые для документирования текущей задачи.

Выбрав пункт меню «Окно / Графический контейнер», в правой части главного окна появится дополнительная панель. Данная функция позволяет собирать копии экрана из различных окон приложения для их дальнейшей обработки.

 

КОМПОНОВКА ПОПЕРЕЧНИКА

 

Для существующего однопролетного здания необходимо запроектировать антресольный этаж, как показано на рис. 2.1.

 

 

Рис.2.1. Плоская рама каркаса

 

Для расчета пространственного каркасного здания пространственную расчетную схему сооружения можно представить в виде ряда плоских рам.

Здание имеет каркас, выполненный из железобетонных (ЖБ) элементов. Колонны (ЖБ 400х400) жестко крепятся к фундаментным плитам с помощью анкерных болтов. На колонны опирается ферма, с последующим опиранием на нее железобетонных плит. К колоннам крепятся плиты стенового ограждения.

Конструктивно антресольный этаж представлен балкой перекрытия, которая концевыми участками опирается на существующие колонны, а в середине пролета на стойку.

Конструкции антресольного этажа планируется возводить из стальных элементов, так как они удобнее при монтаже и могут иметь любые требуемые конструктивные размеры, в отличие от ЖБ элементов, имеющих стандартные размеры.

Устройство антресольного этажа с опиранием на существующие колонны приведет к повышению нагрузок как на нижние участки колонн, так и фундаменты существующего здания. В этой связи возникает необходимость поверки несущей способности колонн и фундаментов.

В результате статического расчета необходимо определить расчетные усилия в сечениях колонн железобетонного каркаса в уровне примыкания их к фундаментам, балках антресольного этажа и стойке.