Металлический каркас, сейсмика, Лира.

И долго буду тем любезен я народу,

Что чувства добрые я Лирой пробуждал...

А. С. Пушкин.

Каркас, Лира, сейсмика....

Простое здание - стальной каркас, фермы, фахверк. 

Начинаем с плоской рамы, вычерченной в AutoCAD.

Схема изначально "лежит". Чтобы перевернуть воспользуемся перемещением поворотом.

После экспорта элементы не разбиты по промежуточным узлам, например, верхний пояс от колонны до конька - это один элемент. Исправить и раздробить элемент согласно промежуточным узлам можно используя функцию "Пересечь отмеченные элементы и узлы со схемой"

После дробления получаются лишние узлы и необходимо "упаковать схему".

Далее - задаём жесткости элементам. Будем различать колонны высокой и низкой части, нижний и верхний пояс фермы, решётку фермы и опорные раскосы, балку низкой части. 

Как видно, я задал минимальный двутавр для колонн и балки, так как они будут подбираться по результатам расчёта, а сечения фермы я задал конкретные, так как они нам известны из серии 1.460.3-23.98. Сталь для всех конструкций я задал С255 (хотя пояса и опорные раскосы ферм по серии из С345), но это пока.

Самое сложное, требующее внимание, - создание конструктивных элементов и групп унификаций элементов. Для этого необходимо в разделе "жесткости" на вкладке "стали" создать ряд параметров с дополнительными характеристиками. В нашем случае мы создадим отдельные характеристики для колонн, верхнего пояса, нижнего пояса, раскосов фермы, балки, то есть для всех элементов, чьи характеристики хоть чем-то но различны. 

Начнём с колонны. Колонна в данном случае имеет коэффициент расчётной длины в плоскости фермы 2, из плоскости 1 (как максимум), так как планируются вертикальные связи и распорки по колоннам.

Далее, при создании объёмной модели, вводятся распорки и расчётную длину из плоскости следует уменьшить в двое

Верхний пояс раскреплён в каждом узле, поэтому расчётная длина верхнего пояса в и из плоскости равна 1. Кстати, в эту же группу можно включить и опорные раскосы.

Раскосы фермы имеют коэффициент равный 1.

С нижним поясом сложнее. Он раскреплён в двух местах на расстоянии 4,05 от обоих концов. Общая длина нижнего пояса 24,3 метра. Можно пойти двумя путями: задать коэффициент расчётной длины и он будет равен отношению большего расстояния между точками раскрепления к общей длине стержня, то есть (24,3-4,05*2)/24,3=0,67 или задать длину конструктивного элемента, равную большему расстоянию между точками закрепления, то есть 24,3-4,05*2=16,2 метра.

Балка. В проекте прогоны будут раскреплять её с шагом три метра. Здесь, так же как и для нижнего пояса, можно задать коэффициент расчётной длины из плоскости, а можно задать расчётную длину, что я и сделал.

Все эти характеристика необходимо присвоить/назначить соответствующим элементам. Делать это лучше предельно внимательно и не торопясь, чтобы не присвоить одному элементу характеристики и сечение другого.

Незначительный момент, пустячок, при назначение коэффициентов расчетных длин - они задаются относительно местных осей и слово "относительно" необходимо читать как "перпендикулярно". То есть, если мы хотим задать для колонны коэффициент 2 в плоскости фермы, то есть вдоль оси Z, то мы должны задавать Ky, как коэффициент расчётной длины относительно/перпендикулярно оси Y.

Далее необходимо создать конструктивные элементы и унификация элементов для того, чтобы конструктивные элементы одинакового сечения на наш взгляд были одинакового сечения и с точки зрения программы.

Верхний пояс, опорные раскосы, решетка феры, колонны (если они не разбиты узлами по длине) могут быть заданы с помощью унификации элементов, так как эти элементы могут рассматриваться как самостоятельные от начального до конечного узла и не входят в состав другого элемента.

Выделяем необходимые элементы, ставим галочку "единое сечение для всей группы" (это означает, что всем элементам верхнего пояса будет назначено максимальное сечение, полученное по результатам подбора) и нажимаем на "плюс", чтобы создать группу.

Балки, нижний пояс, в данном случае, следует задавать как конструктивные элементы. В этом случае нижний пояс будет рассматриваться как целый элемент длиной 24,3 метра.

Выделяем нижний пояс и  нажимаем "создать КоЭ". Тоже самое делаем с балкой.

Задаём связи в опорных узлах

Задаём шарниры в элементах фермы и местах примыкание балки и фермы к колонне

Выравниваем местные оси на всякий случай.

При желании можно поменять признак расчётной схемы на "три степени свободы" и типы конченых элементов на "стержни плоской рамы", но, как показала практика, нарезультат, в данном случае, не влияет.

Задаём нагрузки

Сначала самое сложное - собственный вес

Теперь вес кровли

Снег

Можно изменить названия загружениям

Пока этих загружений достаточно, чтобы понять в правильном направлении мы движемся или нет

Создаем таблицу РСУ и РСН

Выполняем расчёт и проверяем элементы. Вот что мы имеем.

Эпюры N и M

Эпюры похожи на правду

Результат проверки сечений элементов

Выбранные нами изначально сечения не устраивают и программа предлагает следующие

Результат подбора сечений то же нас устраивает.

Теперь, когда разобрались с плоской рамой, можно приступать к моделированию пространственной схемы.

Сначала разобьем балку на три части, обеспечив узлы для примыкания прогонов. Делается это сейчас, чтобы не разбивать уже n раз скопированную балку потом. Необходимо выбрать интервал, потом нажать на начальный узел и на конечный. В направлении конечного узла программа отмеряет интервал и делает узел, разбивая стержень. И так два раза.

Здесь ошибка, хотя и так разбить можно. Но лучше воспользоваться той же функцией с тем же принципом работы, но для стержней.

Теперь выделяем всю схему и копируем по Y 8 раз

Все параметры были скопированы, кроме конструктивных элементов, к сожалению. Придётся задавать для каждой рамы отдельно, но не сейчас. Сейчас из крайней рамы будем делать торец. Для этого копируем одну из колонн 4 раза с шагом 5,4 м.

Колонны коротковаты, чтобы их удлинить до нужного размера скопируем координату Z узла фермы (так уж вышло, что фахверк точно совпадает с узлами фермы и присвоим её координате Z верхнего узла стержня.

Удаляем решётку и нижний пояс фермы с торца, а верхний пояс делаем балкой и добавляем шарниры в местах крепления к колоннам. 

Практически те же самые манипуляции с низкой частью, поставим ещё одну колонну посредине. Фахверк готов, выделяем его и копируем на другую сторону.

Не забываем сечение колонн фахверка высокой и низкой частей развернуть на 90 градусов.

Связи. Сначала поставим стандартный набор вертикальных связей вдоль крайних колонн и плюс ещё одну посредине здания (сейсмика всё-таки, а при её наличии связей мало не бывает). Колонна высотой более 9 метров, поэтому её придётся разбить по высоте пополам для распорки, так как, в противном случае, ветви связей будут слишком длинными, да и по результатам расчёта плоской рамы мы понимаем, что ввести ещё одну распорку было бы не плохо при такой высоте (да у нас ещё и сейсмика будет). Введём дополнительный узел на высоте 5 метров, чуть выше половины колонны.

Добавим распорки по центрам и по оголовкам колонн. Зададим им жесткость. 

Распорки в местах установки вертикальных связей по каркасу ставим иные, потому что они будут включены в работу связей и должны иметь соответствующее связям сечение для конструирования узла примыкания (сложно будет примкнуть, скажем, 180-ой трубой ветви связи к 100-ой трубе распорки).

Добавим прогоны. Чтобы прогоны при упаковке схемы не "слились" с распорками по верху колонн, последние разобьём на две части.

Остались связи по фермам и можно переходить к нагрузкам. Связи по нижнему поясу надо ставить чаще, так как уже в плоской раме коэффициент использования был близок к 100%. Связи по верхнем поясам ферм сделаем как в серии, и, исключительно благодаря сейсмике, добавим ещё одну, посредине - удалить всегда успеем.

Исходя из опыта проектирования зданий с мостовыми кранами, поставим связи вдоль крайних колонн. 

Ни одно из загружений плоской рамы использовать в пространственной модели не получиться, придётся создавать заново. 

Собственный вес - всё так же как и в плоской раме.

Вес кровли и снег - теперь задаём на прогоны.

Я добавлю ещё в схему встройку, но опущу процесс создания. В пристройке добавятся такие загружения, как собственного вес железобетонного перекрытия вместе с полом и нагрузка от оборудования. 

Задаём ветровую нагрузку

Двигаемся дальше и приступаем к созданию динамических загружений. Их необходимо пять: три сейсмики и две пульсации.

В сейсмическом загружение мы должны задать наименование воздействия, количество учитываемых форм, матрицу масс и параметры. Выбор наименования воздействия вопросов вызывать не должен. В параметрах задаются данные из таблиц свежих норм. Матрицу оставляем по умолчанию. Остаётся задать количество учитываемых норм. Исходя из СП количество форм должно быть таким, чтобы "сумма эффективных модальных масс, учтенных в расчете, составляла не менее 90% общей массы системы, возбуждаемой по направлению действия сейсмического воздействия для горизонтальных воздействий и не менее 75% - для вертикального воздействия". Узнать сумму можно после расчёта на вкладке "анализ" в "документации", выбрав "стандартные таблицы" и, затем, "периоды колебаний". Количество учитываемых форм можно определить только экспериментальным путём, поэтому, чтобы заполнить таблицу до конца, необходимо произвести расчёт с уже заполненной таблицей как минимум один раз. Сейсмика задаётся тремя загружениями, если нет специальных требований. В каждом загружение направляющие косинусы равны единицы в одном из трёх направлений. Таким образом мы должны иметь сумму модальных масс 90% в сейсмических загружениях по горизонтальным осям и 75% по вертикальной оси.

Всё просто, вроде бы, но дьявол кроется в мелочах, в таблицах СП. Например, в коэффициенте К1, по таблице 4. Коэффициент может быть от 1 до 0,12, что даёт даже при 7 баллах различие усилий в несколько раз. 

При создание пульсации необходимо задать наименование воздействие, количество учитываемых форм, номер статического загружения и параметры. Наименование воздействия - пульсационное. Количество учитываемых форм, как правило, более 3-х. Номер соответствующего статического загружения - по проекту. Параметры - по проекту и по нормам.

 

Также для динамических загружений необходимо задать учитываемые статические загружения, которые будут переводиться в массы.

Принцип заполнение формы следующий, сверху-вниз: 

- номер динамического загружения в котором будет учитываться переводимое в массу загружение;

- номер соответствующего статического загружение, которое будет переводиться в массу;

- коэффициент преобразования - коэффициент перевода из расчётной нагрузки в нормативную (если это снег, то коэффициент будет равен 1/1,4=0,72, если это собственный вес металла, то коэффициент будет равен 1/1,05=0,95 и тд)

- нажать на кнопку с изображением знака плюс.

И так для каждого динамического загружени и каждое статическое, которое необходимо перевести в массу.

Формируем расчётные сочетания усилий или РСУ

Выбираем нормы, согласно которым будут выбираться коэффициенты

Далее:

- выбираем очередное загружение;

- выбираем вид загружения;

- выбираем группу взаимоисключающих загружений (если 0, то группы нет и загружение может входить в комбинации с любыми другими, номер группы которого тоже 0; если любое число отличное от 0, то это значит, что загружение не будет воздействовать одновременно с загружением с тем же номером группы)

- коэффициент надёжности автоматически выбирается исходя из норм; при необходимости можно корректировать;

- доля длительности - то же самое, что и с коэффициентом надёжности;

- нажимаем на галочку рядом с видом загружения.

И так для каждого загружения.

Формируем расчётные сочетания нагрузок или РСН.

Расчётные сочетания нагрузок, некоторым более известны под названием "комбинации загружений". Они, и это здорово, если правильно составлены РСУ, формируются автоматически. Достаточно выбрать, например, "основное сочетание (I ПС)" и нажать "добавить". Ненужные можно удалить при помощи кнопки с "ножницами". После заполнения необходимо сохранить. РСН, главным образом, используются для получения нагрузок на фундаменты. Для этого, после расчёта, переходим на вкладку "расширенный анализ", выбираем кнопку с изображением поражённого молнией фундамента и с надписью "рассчитать нагрузку". Выделяем элементы, которые будут учтены при передачи нагрузки и узлы, на которые эта нагрузка будет передана. Нажимаем на кнопки "обновить" для списка элементов и списка узлом, и выполняем расчёт.

Где мы сейчас? 

Мы сделали схему, задали нагрузки, создали динамические загружения, сформировали РСУ для проверки стальных элементов на прочность и сформировали РСН для получения нагрузок на фундаменты и определение деформаций.

Самое время перейти к анализу.

Я начал бы анализ с проверки сечения стальных элементов. На вкладке "конструирование" включаем попеременно 1ПС и 2ПС, что означает анализ по прочности и по деформациям.

Не то, чтобы это сюрприз, так как переходя от плоской схемы к пространственной мы пропустили шаг создания конструктивных элементов и унифицированных групп. Сейчас самое время разобраться с ними. 

Начнём с колонн. В плоской схеме колонны состояли из единого стержня, что дало нам полное право воспользоваться унифицированными группа. Сейчас же этот трюк выполним только для колонн низкой части, когда все колонны верхней части разбиты как минимум на две части. Договорились: делаем унифицированную группу для колонн низкой части и конструктивные элементы для каждой колонны высокой части. Было бы здорово объединить конструктивные элементы колонн в унифицированные группы, чтобы они имели одинаковые сечение, но это сделать не возможно, так как колонны отличаются расположение узлов и  количеством стержней в их составе.

А вот колонны низкой части - могут, но только в две группы с соответствующими высотами. Если сделать одну группу, как показано на рисунке ниже, то при проверки сечений непременно будет ошибка.

Фермы. Поступаем как в плоской схеме - все элементы, кроме нижнего пояса, унифицированные элементы. Но! По той же причине, не давшей нам объединить колонны низкой части в одну группы, мы не можем объединить все элементы решётки. Можно и не тратить время на создание для каждого типоразмера раскоса отдельной группы, программа их проверит по заложенным характеристикам материала и только при подборе она будет указывать на каждый в отдельности, что может привести к определённым трудностям. 

Торцевые балки, балки покрытия, главные балки встроенной части - конструктивные элементы. Второстепенные балки встроенной части - унифицированные элементы, так как не имеют промежуточных узлов и все одинаковой длины.

Прогоны. Прогоны, не разбитые связями - унифицированные элементы, остальные - конструктивные элементы.

Распорки по каркасу. То же самое, что и с прогонами.

Связи по каркасу. Горизонтальный элемент связей делаем конструктивным элементом, наклонные стержни - унифицированным.

Связи по нижним поясам ферм, так же как с прогонами и распорками по каркасу: горизонтальные элементы разбитые узлами -конструктивные, остальные - унифицированные.

Остались горизонтальные связи по верхним поясам ферм. Делаем унифицированными элементами.

Теперь схема выглядит так

Легко можно определить какой элемент к какой группе относиться. Групп, в общей сложности, получилось 33. Все они имею уникальное название и определить, какая группа к каким элементам относиться ,будет не сложно - держим в голове аббревиатуры и цифры от нуля до 33. 

Проверить правильно ли вы задали группы можно на вкладке "конструирование", нажав на кнопку подбора по любому из ПС. Если ошибки есть, то элементы, принадлежащие группам, созданным с ошибками, будут выделены красным.

Немаловажная деталь, которая влияет на балки - "раскрепление прогибов". Необходимо применить ко всем второстепенным балкам, коими являются и прогоны, по краям конструктивных элементов.

Теперь о прогонах можно забыть. Нам даже предлагаю уменьшить сечение крайних.

Продолжим с фермами. 

Мы имеем на пределе верхний пояс, не проходящий нижний пояс и опорные раскосы. Дело в том, что в серии для этих элементов используется С345, а у нас заложена С255. Меняем сталь. 

Теперь и о фермах можно забыть. Нам снова предлагают изменить профиля, но и здесь мы не пойдём у программы на поводу, а будем придерживаться рекомендаций серии.

Колонны. После создания конструктивных элементов и унифицированных групп колонны пришил в полный порядок. 

Программа настаивает на своих сечениях, но не будем торопиться. Разброс сечений колонн низкой части скорее всего обусловлен отсутствием связей по покрытию, в среднем пролёте и по торцевому фахверку. Внесём изменения.

Система распорок и вертикальных связей по каркасу

Связи не проходят по прочности. Программа предлагает увеличить сечение связей в торцах и по колоннам низкой части. Здесь вынужден согласиться с программой. Связи по торцам увеличиваем вместе с распоркой.

После усиления вертикальных связей и пересчёта усиления потребовали и распорки по каркасу. 

Вот уже второй раз программа делает предложение, от которого нельзя отказаться.

Связи по покрытию

Ну что ж, нельзя не согласиться и с предложением об увеличении сечения горизонтальных связей.

Заканчиваем балками.

Рассматриваем все балки: встройку, фахверк, покрытие низкой части. С балками всегда возникают проблемы. Например, выше я описывал создания дополнительных характеристик для балок, но не редактировал максимально допустимый прогиб и не прокручивал бегунок вниз, где задаётся раскрепление сжатого пояса и параметры для консоли. Всё это очень важно для подбора балок.

Причина, по которой главные балки встройки не проходили по прочности - это усилия, которые возникают при динамических загружениях, направленный из плоскости балок. Стоило заменить балочный двутавр широкополочным, как программа предложила даже уменьшить сечение.

Ну вот и добрались до конца. Обновим собственный вес, пересчитаем схему.

Расчёт этого же сооружения в SCAD

Сравнение результатов расчёт этого сооружения в Лира и SCAD