Приложение ветровой и снеговой нагрузок в SCAD (эксперимент)

Для расчета конструкций и сооружений в SCAD не редко приходится учитывать ветровую иногда и снеговую нагрузки и каждый раз, в зависимости от случая,  задаешься вопросом - как именно лучше и правильнее приложить!?

Допустим у нас каркас с определенным шагом колонн. Мы можем собрать ветровую (или снеговую) нагрузку и приложить к колонне (к ригелю). Но а если нам необходимо рассчитать фахверк (прогон), горизонтальный или вертикальный? А если вычислить грузовую площадь приходящуюся на колонну (фахверк, прогон, ригель) не просто?
За свою практику я встречал три случая:

• вычисляем в ручную и задаем на колонну или фахверк;
• используем пластины для передачи усилий на элементы каркаса, причем и те и другие имеют общие узлы;
• то же, что и во втором случае, только узлы не общие. передача производится может различными способами: через стержневые элементы, через жесткие вставки и через объединение узлов.

Прежде чем приступить к эксперименту, нужно определится с тем, что берем за эталон. Так как до появления компьютеров пользовались пользовались методикой, описанной в первом пункте, ее и примем.

Общие для всех - ветровая нагрузка 35 кг/м²

Схема подопытного каркаса для каждого способа

Способ первый - задаем ветровую нагрузку на колонну собранную в ручную.

Разобьем первый способ на 2 варианта: 

• приложим к колонне, грузовая площадь  - 4 м². На среднею стойку 140 кг/м.п., на крайние 70 кг/м.п.
  
• приложим к фахверку, грузовые площади 0,95 м и 1,95 м, на нижний и верхний фахверк 33,3 кг/м.п., на средний 68,3 кг/м.п.
  

Эпюра моментов (слева направо нагрузка на колонну и нагрузка на фахверк)

Эпюра поперечной силы (слева направо нагрузка на колонну и нагрузка на фахверк)

По результатам расчета (эпюрам) можно сделать вывод, что результат идентичный. На колонну пришла одна и та же ветровая нагрузка (разница менее 3%).

Второй способ - задаем нагрузку на пластины, имеющие общие узлы с каркасом.

Разбиваем пластины и элементы каркаса на отрезки примерно по 0,5 м, и задаем нагрузку в 35 кг/м². Жесткость пластины - сталь толщиной 0,8 мм

Эпюры моментов и поперечной силы

У этого способа явный недостаток - мы, без специальных мероприятий, не можем анализировать работу фахверка, так как общие узлы пластины имеются и с узлами колонны, стало быть часть нагрузки идет на колонну минуя фахверк. Я менял жесткость с 8 мм до одного метра и в итоге получил получил едва заметную разницу. 

Третий способ - задаем нагрузку на пластины, не имеющие общих узлов с каркасом.
Пластины те же, что и в предыдущем способе, относим их на определенное расстояние (для меня это 0,5 метра) и соединяем с узлами каркаса. Я буду соединять как и следует исключительно с узлами фахверка.
Первый вариант - объединение перемещений. Объединяем перемещения вдоль той оси, вдоль которой направлена ветровая нагрузка. Изюминка в том, что нельзя сделать это разом, необходимо выделять каждую пару и применять именно к ней.

Эпюры моментов и поперечной силы

Второй вариант -  АЖТ. Выбираем два узла и устанавливаем в низ АЖТ с жесткой связью вдоль действия ветровой нагрузки. Этот  вариант проще предыдущего, так как можно АЖТ копировать.

Эпюры моментов и поперечной силы

Третий вариант - элементы. Жесткость не должна иметь значения, но мы их сделаем круглыми и жесткими. 

Эпюры моментов и поперечной силы

У этого способа есть и преимущества и недостатки. Преимущество перед вторым в том, что можно анализировать работу фахверка, если это необходимо. Недостаток - сложнее моделировать, задавать отдельно объединение (АЖТ, элементы) для каждой пары узлов. 

Выводы:

Чтобы не быть голословным результаты в таблице. Рассматривалась во всех случаях колонна в осях "Г"/"1"

	M (внизу/вверху)	Q (внизу/вверху)
эталон (ветер на колонны)	1,17/-0,31	-0,66/0,15
ветер на фахверк	1,14/-0,34	-0,66/0,15
ветер на пластины с общими узлами	1,20/-0,36	-0,60/0,13
ветер на пластины через объединение узлов	1,18/-0,35	-0,67/0,14
ветер на пластины через АЖТ	1,18/-0,35	-0,67/0,14
ветер на пластины через элементы	1,18/-0,45	-0,68/0,11

Получается, что для передачи все способы хороши и выбор способа будет определять сложность схемы, количеством свободного времени и привычкой. Для простой схемы - первый способ (можно второй, если уж совсем не хочется считать грузовые площади), для сложной - третий. Если выбирать из вариантов третьего способа, я, наверное, за объединение узлов. Надо понимать, что второй и третий способ нельзя использовать при расчете схемы на устойчивость (второй способ в добавок может повлиять на анализ колонн и фахверка), но можно обойти эту проблему, передав нагрузку через "нагрузку на фрагмент схемы". 

Уверен, что то, что справедливо для ветра, будет справедливо и для снеговой нагрузки. Кто при сборе снеговой нагрузки учитывает угол ската? Третий способ передачи нагрузки позволит и об этом забыть.

И еще, раз и навсегда выяснить, есть ли необходимость менять направление местных осей прогона, если необходимость в жестких вставках, повлияет ли это на конечный результат?
Испытуемые:
1 - прогон как есть, без поворота местных осей и жестких вставок
2 - прогон с поворотом местных осей
3 - и с поворотом местных осей и с жесткими вставками

Прогоны шарнирно примыкают к ферме.

За эталон возьмем прогон с той же нагрузкой, но посчитанный в "Кристалле"

Что думает про прогоны SCAD:

Неожиданно?

Передаем сочетание усилий в "кристалл" и в "сопротивлении сечения" задаем соответствующие характеристики:

Теперь самое интересное, попрано что думает о прогоне SCAD и что думает о прогоне "Кристалл"

Результаты SCAD очень сильно отличаются от "Кристалла" ("Кристалл" явно лучшего мнения о 10 швеллере). Невооруженным глазом видно, что при изменении угла и геометрического положения прогона, что-то изменяется. Причем SCAD учитывает без учета пластики, а "Кристалл" с учетом. Вообщем - не сильно то сравнивать можно, они вроде одно дело делают, да только и пути и результаты слишком разные. Повторяется история со SCAD и "КРОСС". Кончено, когда мы считаем прогоны в SCAD, часть не нужных нам усилий (таких как сжимающая или растягивающая сила) участвуют в расчете, но не они являются критическими. Момент из плоскости. Им можно пренебречь, когда мы используем тяжи или крепим профлист в каждой гофре, создавая жесткий диск и тем самым закрепляя из плоскости. Можно сказать это "Кристаллу", поставив вместо значений нули при проверки сечения. В SCAD этого не сделать. Поэтому, если нет необходимости учитывать работу прогона в составе каркаса в качестве связи ли распорки, то лучше их (прогоны) исключить из схема вовсе.