Документирование результатов расчета подробно описано в 4 главе.

3.6. Проектирование одноэтажного промышленного здания в пространственной постановке

Последовательность и правила выполнения автоматизированных расчетов поперечной рамы одноэтажного производственного здания подробно изложены в вышеприведенном материале, а в данном примере приведены особенности проектирования в пространственной постановке.

Каркас промышленного здания – это пространственная многостержневая многократно статически неопределимая система. Возможности ПК ЛИРА-САПР позволяют достаточно быстро создать пространственную схему с учетом всех элементов, входящих в состав каркаса. В этом случае, возможно выполнить в СТК-САПР подбор элементов всех конструкций: не только колонн и ригелей, но и связей, подкрановых балок, фахверков и т.д.

За основу возьмем необходимые вышеприведенные исходные данные для однопролетной рамы, автоматизированный расчет которой приведен соответственно в п.3.3. Существующую плоскую расчетную схему рамы превратим в пространственную. Для этого следует изменить признак схемы со второго на пятый: вызовите диалоговое окно Описание схемы щелчком по кнопке - Признак схемы(панель Редактирование на вкладке Создание и редактирование) (рис. 3.41), затем выполнить копирование схемы рамы с шагом 12 м (рис. 3.42).

Рис. 3.41. Смена признака схемы

Рис. 3.42. Копирование рамы с шагом 12 м, 9 раз

Далее необходимо добавить в расчетную схему конечные элементы (КЭ) типа 10 моделирующие элементы горизонтальных и вертикальных связей, подкрановые балки, пролеты в соответствии с существующими требованиями проектирования каркасных систем (рис. 3.43).

Рис. 3.43. Вид созданной схемы каркаса в плоскости ZOY

При помощи связей, подкрановых балок, пролетов плоские поперечные рамы каркаса объединяют в единую пространственную систему, способную воспринимать нагрузки разных направлений, действующих на здание, и передавать их на фундаменты (рис.  3.44). Выполнение всех операций по процессу моделирования расчетной схемы подробно изложено в предыдущих подразделах, поэтому останавливаться на этом нет смысла. Задача жесткостных характеристик связей пролетов и подкрановых балок выполняется в соответствии с существующими нормами СНиП II-23-81 * [2] и на основе предыдущего опыта проектирования [1, 3, 8 и др.].

Рис. 3.44. Общий вид пространственной модели каркаса

Схема приложения нагрузок аналогичная той, которая представлена в вышеприведенных подразделах при расчетах рамы в плоской постановке. Для сравнения результатов расчета и установления напряженно-деформированного состояния, прежде всего, в элементах рамы (ригеле и колоннах) в плоской и пространственной постановке и при этом минимизировать возможное влияние на результаты способа задания нагрузок, принято, что нагрузки задавались в узлы ферм (как и в плоской схеме), а не через загружения пролетов (рис. 3.45, 3.46). Для сравнения см. рис. 3.25, 3.26. Пролеты в данном случае выполняют только роль связей по верхнему поясу ферм.

Рис. 3.45. Схема приложения снеговой нагрузки (1 вариант)

Рис. 3.46. Схема приложения снеговой нагрузки (2 вариант)

После этого следует откорректировать нагрузки на крайние рамы, поскольку грузовая площадь в 2 раза меньше, чем на средние (рис. 3.47).

Рис. 3.47. Корректировка снеговых нагрузок

Крановые нагрузки в приведенном примере это загружения 4 – 7, их также нужно откорректировать. В пространственной расчетной схеме крановые нагрузки прикладываются через подкрановые балки, например, на третью раму от торца здания, поскольку эта рама не входит в жесткий блок и в большей степени соответствует работе плоской рамы. Значения вертикальных и горизонтальных крановых нагрузок берем из примера ручного расчета п. 4.2.2. Вертикальные крановые нагрузки, передаваемые на подкрановые балки от каждого колеса F_о, F_о^/ соответственно 331,81 кН и 110,82 кН, суммарное действие восьми колес (рис. 4.24), должен соответствовать значениям F_max = 1647,96 кН и F_min = 550,4 кН. Горизонтальные крановые нагрузки от каждого колеса H_k, H_k^/ соответственно 20,927 кН и 10,46 кН суммарное действие которых должно соответствовать значениям F_max = 103,93 кН и F_min = 51,97 кН.

Нагрузку от колес на подкрановые балки задаем как сосредоточенные силы. Для этого необходимо нажать на закладке Нагрузки на стержни диалогового окна Задание нагрузок кнопку . В раскрывающемся диалоговом окне ввести параметры действующей силы и расстояния от начала конечного элемента к месту ее приложения, (рис. 3.48) P=331.81 кН, A=6.15 м. Выделить элемент подкрановые балки, нажать кнопку . Аналогичные действия выполнить для задания нагрузок от всех колес крана.

Рис. 3.48. Фрагмент схемы в ходе задания вертикальных нагрузок на подкрановые балки (загружение 4)

Задание нагрузок на подкрановые балки с правой стороны рамы можно выполнять путем корректировки предварительно заданных нагрузок, которые задавались для балок с левой стороны рамы. Поскольку шаг приложения сосредоточенных сил одинаковый, то следует изменить только значения нагрузки, это сократит время ввода исходных данных (рис. 3.49). Для использования такого приема в ходе задания нагрузок на балки с левой стороны рамы следует также выделять элементы схемы, моделирующие балки справа рамы, а затем выполнить их корректировку. Окончательный вид загружения 4 приведен на рис. 3.50.

Рис. 3.49. Фрагмент расчетной схемы в ходе корректировки

нагрузок (загружение 4)

Рис. 3.50. Фрагмент расчетной схемы после задания всех нагрузок загружения 4

Загружения 5-7 выполнять аналогично вышеприведенному примеру, общий вид этих загрузок приведен на рис. 3.51 – 3.53.

Рис. 3.51. Фрагмент расчетной схемы после приложения всех нагрузок загружения 5

Рис. 3.52. Фрагмент расчетной схемы после задания всех нагрузок загружения 6

Рис. 3.53. Фрагмент расчетной схемы после приложения всех нагрузок загружения 7

Ветровые нагрузки приложены к колоннам рам и их значения остались теми же, что и в приведенном примере расчета плоской рамы см. п. 3.3.4, где достаточно подробно изложена последовательность задания нагрузок. Необходимо только откорректировать нагрузки на крайние рамы, поскольку грузовая площадь в 2 раза меньше, чем на средние (рис. 3.54 а, б). Общий вид расчетной схемы после задания загружения 8 приведен на рис. 3.55.

Рис. 3.54 а. Корректировка ветровых нагрузок в крайних рамах (вид в плоскости ZOX)

Рис. 3.54 б. Фрагмент схемы в ходе корректировки ветровых нагрузок

Рис. 3.55. Расчетная схема после задания загружения 8

Правила формирования расчетных сочетаний усилий, просмотр и анализ результатов расчета подробно рассмотрены в главе 4, поэтому на этом останавливаться нет смысла, только будет интересно выполнить сравнение напряженно-деформированного состояния элементов рамы в плоской и пространственной постановке расчетной схемы.

Для этого приведены отдельные результаты расчета для третьей рамы с торца здания там, где прикладывались все крановые нагрузки (рис. 3.56 а, б). Сравнивать результаты необходимо с расчётами рамы в плоской постановке (рис. 3.31 – 3.33). Полученные усилия в связях, пролетах и подкрановых балках не рассматриваются, поскольку все эти элементы в примере отсутствуют. Приведены данные для отдельных характерных элементов ферм, выделенные красным цветом (рис. 3.57, 3.31 а). Для выбранных элементов составлена таблица РСУ стержни (рис. 3.58) и установлено, что значение продольных усилий в элементах фермы почти одинаковые. В целом, по результатам расчетов каркаса в пространственной постановке установлено, что перемещения и усилия в элементах рамы различаются несущественно отрезультатов, полученных при расчете в плоской постановке.

а)

б)

Рис. 3.56. Результаты расчета: а) деформированная схема с мозаикой перемещений; б) эпюра My для третьей рамы с торца здания от загружения 1

Рис. 3.57. Деформированная схема с обозначением характерных элементов рамы

Рис. 3.58. Таблица РСУ для выделенных элементов фермы

Это обусловлено тем, что в пространственной расчетной схеме учтено много дополнительных аспектов и более точно смоделирована конструктивная схема каркаса. Например, в плоской постановке расчета рамы каркасного здания не учитывается наличие горизонтальных связей, что соответственно приводит к увеличению значения изгибающих моментов в жестких соединениях колонн с фундаментами. А в реальной работе каркаса нагрузки, действующие на плоскую раму через систему связей, пролетов, подкрановых балок частично передаются на соседние, тем самым выполняется перераспределение усилий.

Если обобщить вышесказанное, то можно прийти к давно известным истинам, что расчет в плоской постановке более прост в реализации, но полученные результаты могут отличаться от действующих усилий в конструкциях. А расчетная схема той же самого сооружения в пространственной постановке может быть гораздо сложнее и ее составлении может занимать гораздо больше времени и усилий, но это должно быть обосновано необходимостью выполнения таких расчетов и получения более точных результатов. Поэтому инженер-конструктор должен иметь четкое представление о работе тех или иных конструкций и знать когда можно выполнять расчеты простыми способами, а иногда в отдельных случаях необходимо их проверять более точными расчетами.