Расчет стального (металлического) каркаса и пруткового прогона, SCAD

Расчет стального каркаса на примере совсем маленького здания. По сути размер не имеет значение. Принцип расчета в SCAD, что большого, что маленького каркаса не сильно отличается, если отличается вообще (принципиально).

В данном примере одно пролетное (8 метров) не отапливаемое здание. Шаг колонн 4 метра, длина 20 метров. Высота в минимальной точке 5,4 метра (будет проезжать грузовик).

Я всегда начинаю с такого эскиза. Передаю его в SCAD, затем копирую, добавляю и т.д.

Небольшое лирическое отступление: наткнулся еще на один сюрприз от создателей SCAD. Нам нужно скопировать узел, находящийся в центре прогона на отметку ноль. Чтобы сделать это, нам нужно знать на сколько его копировать вниз. Как узнать - посмотреть информацию об узле. Чтобы не записывать и не запоминать, можно попытаться скопировать значение. Его можно даже вставить в форму для копирования узла, подставить минус и ввести необходимое количество узлов-клонов. Но после применения функции выскочит ошибка. Почему? Потому что программист, создавший окно информации об узле, считал, что разделителем должна быть точка, а создавший окно копирования узла - запятая. И мы видим результат - они не смогли договорится. Возможно автор окна копирования был фанатом "лиры" или "засланным казачком" той же "лиры", почерк характерный. 

Идея была сделать торцы открытыми, что бы сильно упростило конструкцию, но ее не поддержали. Из-за этого в торцах появится дополнительная промежуточная стойка и вообще рама в пролете измениться и станет так называемым несущим фахверком. Так гораздо лучше решается, нежели оставить прутковый прогон и пытаться сделать листовой шарнир, вертикальный и горизонтальный не несущей фахверк. К тому же передача ветра через листовой шарнир в цент пруткового прогона - не лучшая идея. Что угрожает зданию - снег и ветер. Снег -  в конкретном случае 180 кг/м² полное расчетное значения. Рекомендации нормативной литературы говорят нам, что только при 30° и более возникают понижающие коэффициенты снеговой нагрузки, но уже 60° мы вправе не учитывать снег вовсе. Выбор уклона кровли за нами. Увеличение угла - увеличивает длину стойки и как бы не получилось так, что в погоне за нулевой снеговой нагрузкой мы получим стойку, вокруг которой обслуживающий персонал, рабочие, да кто угодно, смогут водить хороводы. Покрытие - проф лист. При устройстве такого типа кровли минимальный рекомендуем угол 10° или 20%, в противном случае необходимы будет выполнять герметизацию стыков. Ветер со всех сторон обдувает конструкцию, несмотря на то, что с одной стороны достаточно плотно стоят другие сооружения.

Зададимся по умолчанию профилями. 

Прогоны. Возможно и обойтись без них, использовать деревянные балки. На пролет 4 метра достаточно 100x150(h) при шаге метр. Но возможно  потребуется раскрепления из плоскости и, возможно, что не обойтись одной распоркой. Как показывает практика - раскреплять из плоскости нужно, иначе мы можем получить что-нибудь весом за 100 килограмм метр погонный или и того больше. Поэтому - прогоны, они же - распорки. Если класть прогоны с шагом 2 метра - это 10 швеллер (примерно), если 4 метра - 16 швеллер. Пять 10-х легче трех 16-х. Берем прогоны с шагом два метра в надежде, что при включении их в работу как распорок они также пропорционально увеличатся.

Горизонтальный фахверк. Ветровая нагрузка в нашем случае 38 кг/м². При пролете 4 метра давление от ветра на обшивку не более 100 кг/м². Это либо НС35 или С44 при трехпролетной схеме, с шагом 3 метра. Сам фахверк пожалуй что будет гнутым швеллером.

Стойки - квадратные трубы, при необходимости - прямоугольные. Не круглые только из-за конструирования узлов примыкания горизонтального фахверка.

Прутковый прогон - верхний пояс парный уголок или тавр, нижний пояс - уголок в непривычном для нас положении. Остальные элементы - прутки (как не странно)

Балка торцевая - швеллер, из-за крепления к нему обшивки, нормативная литература запрещает нам дырявить элементы замкнутого профиля из-за соображений стойкости к коррозии.

внимание! вид начальной модели сильно отличается от конечной.

Прикладываем нагрузки. Снег - нет проблем - шаг прогонов 2 метра, две грузовые площади 2 и 1 м², то есть 180 и 360 кг/м.п. С ветром - как и со SCAD'ом, как и со страной - все стабильно, стабильно отсутствует то, что нужно. В наших новых нормах (2011 год) нет ни слова о ветровой нагрузке на односкатные кровли, зато появились рекламные щиты. Я не ставлю под сомнение профессиональные качества создателей норм, наверное действительно односкатная кровля не популярна и уникальна. Нам бы продуть в трубе макет здания или смоделировали бы условия в ASYS. Здесь мы опустим, кто и как собрал нагрузку на кровлю.   

Касательно приложения ветровой и снеговой нагрузки - после статьи об этом, я, как и полагается, сам на себе испытал метод объединения перемещений. Это чертовски утомительный процесс, плюс появляются непонятного рода ошибки, препятствующие расчету. Я потратил несколько часов в их поиске - безрезультатно. Переключился на АЖТ, но как представил объем предстоящей работы, переменил решение. И снег и ветер в этой схеме я буду задавать на фахверк и прогоны, высчитывая грузовые площади. Но это не значит, что способы с объединением перемещений и АЖТ ошибочны - они трудоемки и очень спасают в сложных ситуациях. 

Почти всегда прикладываю ветровую нагрузку со всех сторон, кроме случаев откровенно симметричных зданий. Последнее случается крайне редко, поэтому по инерции задаю ветер со всех сторон и на симметричное здание.

Снег на прогоны - ничего необычного. 

Условия примыкания. Колонны каркаса, включая и средние стойки в торцах жестко защемлены в фундаменте. Горизонтальный фахверк, прогоны, торцевые балки опираются шарнирно. Особое внимание нужно уделить прогону. По умолчанию все элементы прогона - пространственный стержень. В этом случае мы получим в элементах решетки не нужные моменты и сечения элементов буду увеличиваться. Нам этого не нужно. Варианты решения проблемы:

• назначаем элементы решетки стержнями пространственной фермы;
• к каждому элементу решетки добавляем шарнир с обеих сторон.

Эти мероприятия не исключают ввод шарниров в крайних элементах нижнего и верхнего поясов в местах стыка со стойками.

К первому запуску почти все готово. Последние приготовление:

Создаем динамические загружения:

 

список всех загружений

Добавляем комбинации:

Заполняем таблицу РСУ:

Заполняем данные для расчета на устойчивость:

После первого расчета направляемся в постпроцессор и проверяем сечения металла. Ниже приведены выдержки из постпроцессора:

• прогоны - коэффициент расчетной длины взять из условия крепления профлиста в каждой гофре.
• стойки - расчетная длина стоек в плоскости из условия жестко-шарнир, из плоскости стойка раскреплена фахверком, несмотря на то, что тот примыкает шарнирно.
• горизонтальный фахверк, балка над воротами и балка торцевого фахверка - расчетная длина что в плоскости, что из - одинакова.

Нарочно пропуская прутковый прогон, о нем отдельно. Информации о нем крайне мало, хотя очень интересный элемент и в таких объектах, как наш и массу других очень востребован, за счет малого веса. Решение в виде фермы или балки будет тяжелее в разы.

При расчете/проектировании пруткового прогона есть ряд конструктивных требований, например отношение пролета к высоте прогона 1/150 (к слову у фермы 1/100). Это уменьшает длины элементов решетки прогона, так как круглое сечение не очень эффективно работает на сжатие. Так же конструктивно оговаривается длина восходящего раскоса - 20% от пролета.
Верхний пояс сжат, для лучшей работы сжатого пояса используют тавровое сечение или сечение из парных уголков, обращенных полкой вниз. Пояс необходимо раскреплять из плоскости, так как его гибкость 120 в и из плоскости. Коэффициент расчетной длины 0,8. Нижний пояс пруткового прогона будет растянут, несмотря на это прутком не обойтись. Поэтому это уголок, повернутый обушком вверх. Максимальная гибкость 400, коэффициент расчетной длины так же 0,8.
Решетка - прутки. Максимальная гибкость 150, при коэффициенте расчетной длины 0,8.

Все требования выше обязательны к исполнению, так как действительно делают прутковый прогон эффективным элементом. При создании схемы я пренебрёг требованиями, поэтому переделывал схему, а именно - прогон.

После того, как все элементы внесены в адский лототрон постпроцессора, запускаем его. Получаем два цвета - красный и зеленый. SCAD не говорит, что все должно быть красно или все должно быть зеленое. В одной из статей (вводных в руководство пользователя или просто в очередной брошюре) было написано нечто, что можно только трактовать как - "все на твоей совести", или "мы не причем". Примерно тоже, что пишут в бесплатных или "кустарных" программах - "как есть", тем самым снимают с себя ответственность. Но это бесплатные программы, а это Россия. Продолжаем - рассматриваем каждый элемент, стараемся сделать его оптимальным. Но сначала еще один вопрос к разработчикам...

Форма создания элемента в постпроцессоре недавно (не могу точно знать) была усовершенствована функционально - появилась возможность задавать шаг раскрепления (слово "раскрепление" отсутствует в словаре) из плоскости. Сколько я не пытался экспериментировать с этой функцией - мне не удалось открыть ее потенциал. Ранее - распорка посередине элемента - коэффициент расчетной длины 0,5. На примере нашего прогона я задавал для верхнего пояса коэффициент расчетной длины 1, при шаге раскрепления из плоскости 4 метра - ничего не произошло. Это отличное дополнение к таким функциям этой формы, как гибкость балкам!

Начнем с фахверка - его сечение вряд ли в дальнейшем будет зависеть от жесткостей (это слово забыли записать в словарь тоже) других элементов. Заранее представляя узлы крепления фахверка к стойкам, расположение фахверка (в плоскости стоек или нет), решил использовать гнутый швеллер. Дал постпроцессор 120х60х5. Найдем на схеме самый худший и передадим РСУ в "Кристалл". В "Кристалл" в функции "Сопротивление сечения" моделируем условия для фахверка. Такие же как и постпроцессоре. Во вкладке "усилия" загружаем файл с усилиями. На этой же вкладке есть функция "изменить силовую плоскость". Это значит перевернуть профиль. В схеме как раз таки швеллер развернут, то есть не буквой "С", а "корыто". Это сделано для того, чтобы он лучше работал на нагрузку от ветра. Можно поэкспериментировать, поменять плоскости и ничего не изменится, ибо он подобран по гибкости. "Кристалл" не удовлетворяет сечение от постпроцессора. Он предлагает увеличить сечение и я бы рекомендовал его послушаться. Не потому что он считает правильно, а потому что именно он лицензирован, то есть кто-то проверил - действительно ли "Кристалл" считает по формулам СП, был приятно удивлен и дал лицензию (в отличии от постпроцессора SCAD, если я не ошибаюсь).

Далее - прогон. 

Верхний пояс.  Как и писалось выше, это либо парные уголки, либо тавр. С точки зрения изготовления тавр выгодней - проще варить к нему и не нужны дополнительные соединительные элементы (сухари). В нашем сортаменте присутствуют тавры, но что нам на это говори SCAD 

Скоро тебе читатель надоест обращать на это внимание и ты примешь его (SCAD) как есть. Ищем выход. А не задать ли нам профиль через параметрическое сечение? Задаем половинку 10Б1 двутавра.

Думаю комментировать не нужно, еще одна шутка. Но наш долг дойти до правды. Идем дальше. Пробегаемся по всем вариантам и обнаруживаем "произвольное сечение" а в нем возможность загружать сечение из файла с расширением .sec. Это "конструктор сечения". Открываем. Я минут 10 рассматривал 11 активных кнопок на панели, почти по минуте каждую. После детального изучения понял, что создать сечение, которое нас устраивает можно только вызвав программу "консул" (кто это придумывает?). Программа "консул" - луч света. Все понятно - минута и мы получили нужно сечение. Скорее сохранять и проверять, что выйдет. Ай, нет!. "консул" сохраняет сечение в файл .cns или .con, а их не открывает SCAD. Изучаем внимательно панель "консула". Находим кнопку "поиск эквивалентного сечения". Открывается программа "сезам" (посмотреть бы на креативную группу). И вот в этом "сезаме" мы может подобрать эквивалент и предать в "конструктор сечений", а затем применить в SCAD. SCAD работает с сечение полученным путем связки "конструктор сечений"-"консул"-"сезам"-"конструктор сечений" (немного запутан, но не более чем обычно), но подбирать не может. Поэтому каждый раз придется пробегать по этой цепочке, пока не пройдет профиль. Я пытался предсказать габариты тавра: взял пояс из парных уголков, получил сечение и его характеристики, перебил их в "сезам" и попытался подобрать эквивалентное сечение - тавр с поясом толщиной 16 мм и стенкой 14:). На самом деле проходит половинка 30Б2. Проверить в "кристалле" мы не сможем - он с таврами не работает (солидарен со SCAD. это положительный момент, потому что если они смогли хоть в чем-то договориться, то не все потеряно). С верхним поясом покончено. Если вы не хотите проходить этот путь, используйте парные уголки, швеллера, да что угодно. И еще об одной шутке от создателей "консул" - ввод габаритов сечения в МЕТРАХ. Теперь к привычным, металл - миллиметры, железобетон - сантиметры, добавляется консул - метры. Конечно можно зайти в настройки изменить единицы, но зачем портить... 

Нижний пояс - вообще нет проблем, если только вы не захотите рассчитать прогон в плоской шарнирно-стержневой системе. С такой ориентацией осей расчет невозможен. (спасибо, что предупредили, жаль, что не сразу)

С решеткой то же, что и с поясом. В "кристалле" есть сортамент арматуры, в SCAD - нет. Пройдет не одно обновление пока они договорятся о сотрудничестве (интересно, а база данных сечений в "кристалл" и SCAD разные?). Через параметрическое увы. Поэтому либо "конструктор сечений"-"консул"-"сезам"-"конструктор сечений", либо маленький прокат (есть трубы диаметром 16, 22, 25, 28 и т.д.). 

Прогоны - как мы предполагали - десятого швеллера не вышло. Более того, так как прогоны они же распорки, лучше перейти не гнутый равнополочный швеллер. У меня получился 200х100х6 и "кристалл" оказался того же мнения.

Балка над воротами - она не только воспринимает ветер но и вес шторных ворот. Получилось тоже сечение, что и у прогона - 200х100х6

Стойки. Нарочно оставил из на потом и вот почему. Крепление прогона к стойкам шарнирное, поэтому перемещения будут не маленькими и напрямую будут зависеть от жесткости и верхнего пояса и стойки. Я решил сыграть стойкой. Проходит стойка с сечением в плоскости рамы 200 мм, но при перемещениях около 9 сантиметров от нормативных нагрузок. Это очень не мало, это более 1/100. Чтобы снизить перемещения до 1/200 понадобилось развить сечение до 300 мм. Квадратную/прямоугольную трубу такого сечения найти крайне трудно да и вес у нее будет приличный. Поэтому это два швеллера. В постпроцессоре это два 16, "кристалл" снова вторит. 

Ну вот закончился расчет маленького стального каркаса, а сколько незабываемых минут он подарил нам в компании искрометного юмора программистов и создателей SCAD и смежных программ...