6084
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
П.А. Хазов
Теория автоматизированного проектирования и расчета
Учебно-методическое пособие по подготовке к лабораторным работам (включая рекомендации обучающимся по организации самостоятельной работы)
по дисциплине «Теория автоматизированного проектирования и расчета» для обучающихся по специальности 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений,
специализация Строительство высотных и большепролетных зданий и сооружений
Нижний Новгород
2022
1
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
П.А. Хазов
Теория автоматизированного проектирования и расчета
Учебно-методическое пособие по подготовке к лабораторным работам (включая рекомендации обучающимся по организации самостоятельной работы)
по дисциплине «Теория автоматизированного проектирования и расчета» для обучающихся по специальности 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений,
специализация Строительство высотных и большепролетных зданий и сооружений
Нижний Новгород ННГАСУ
2022
2
УДК 624.04(075)
Хазов, П.А. Теория автоматизированного проектирования и расчета: учебнометодическое пособие / П.А. Хазов; Нижегородский государственный архитектурностроительный университет. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2022. – 16 с. : ил. – Текст : электронный.
В учебном пособии кратко изложено содержание лабораторных работ, а также методические рекомендации по организации самостоятельной работы по дисциплине «Теория автоматизированного проектирования и расчета» для обучающихся по специальности 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений, специализация Строительство высотных и большепролетных зданий и сооружений.
©П.А. Хазов 2022
©ННГАСУ, 2022.
3
1.Содержание дисциплины
1.1Тематический план лабораторных занятий по дисциплине
|
Кол-во |
Форма контроля |
Наименование темы |
часов |
|
|
|
|
|
|
|
1. Расчет статически определимой плоской рамы в |
2 |
отчет по |
ПК Полюс. |
|
лабораторной работе |
|
|
|
2. Расчет статически определимой плоской рамы в |
2 |
отчет по |
ПВК SCAD. |
|
лабораторной работе |
|
|
|
|
|
|
3. Расчет пространственной фермы в ПВК SCAD. |
2 |
отчет по |
|
|
лабораторной работе |
4. Статический расчет плоской рамы одноэтажного |
6 |
отчет по |
каркасного промышленного здания. |
|
лабораторной работе |
|
|
|
|
|
|
5. Статический расчет пространственной схемы одно- |
4 |
отчет по |
этажного каркасного промышленного здания. |
|
лабораторной работе |
|
|
|
6. Расчет перфорированной стальной балки в ПВК |
6 |
отчет по |
SCAD. |
|
лабораторной работе |
|
|
|
7. Расчет монолитного железобетонного безригельно- |
4 |
отчет по |
го перекрытия в ПВК SCAD. |
|
лабораторной работе |
|
|
|
8. Армирование железобетонной плиты перекрытия. |
2 |
отчет по |
Чтение результатов и разработка чертежей стадии КЖ |
|
лабораторной работе |
|
|
|
в ПВК SCAD. |
|
|
|
|
|
9. Использование прикладных программ-сателлитов |
4 |
отчет по |
при проектировании строительных конструкций. Рас- |
|
лабораторной работе |
чет и конструирование строительных конструкций в |
|
|
программных пакетах КРИСТАЛЛ, КОМЕТА, |
|
|
АРБАТ, ДЕКОР. |
|
|
|
|
|
Итого: |
32 |
|
|
|
|
Тема 1. Расчет статически определимой плоской рамы в ПК Полюс.
Лабораторная работа 1.
Рассматривается построение эпюр моментов и поперечных сил в статически определимой балке с помощью ПК Полюс. Расчет рекомендуется выполнять в следующем порядке:
1. Назначение типа связи для новых стержней
Поскольку балка является изгибаемым элементом, более удобным вновь вводимым стержнем будет стержень с жесткими связями по краям. Для назначения в панели управления выбирается меню «Настройки», затем «параметры…». В появившемся окне в разделе «параметры для новых стержней» необходимо выбрать тип связи «жесткая».
2. Ввод опорных узлов
На вертикальной панели команд выбирается команда «опорный узел». После двойного щелчка в любую область экрана открывается окно «Свойства узла». Вводятся координаты первого опорного узла – х = 0, у = 0. Для моделирования шарнирно-подвижной опоры воспользу-
4
емся стержнем с шарнирами по концам. Тогда опорный узел должен располагаться на любом расстоянии ниже точки закрепления балки, а координата х опорного узла должна совпадать с таковой у точки закрепления. Например, вводятся координаты х = 15, у = - 1. Тогда закрепляемый узел балки превратится в свободный. В случае, если узел оказался за границами экрана, необходимо выбрать команду «показать всю конструкцию» на горизонтальной панели команд.
3. Ввод свободных узлов
Свободным является узел балки, в котором приложена сосредоточенная сила, сосредоточенный момент, начинается или заканчивается равномерно-распределенная нагрузка, под которым находится опора. На панели команд выбирается команда «свободный узел». После двойного щелчка в любую область экрана открывается окно «Свойства узла». Поочередно вводятся координаты свободных узлов.
4. Добавление стержней
На вертикальной панели команд выбирается команда «стержень». Для добавления стержня поочередно выбираются его начальный (левый) узел и конечный (правый) узел. Если узлы лежат на одной прямой, недостаточно соединить их одним стержнем, стержней должно быть столько, сколько промежутком между узлами. Так же необходимо ввести и опорный стержень. Для отображения номеров узлов и стержней на горизонтальной панели выбирается команда «Включить/Выключить номера элементов».
5. Установка шарниров
Для установки шарниров в вертикальном меню выбирается команда «редактирование», после чего выполняется двойной щелчок по первому стержню. В открывшемся окне для начального узла устанавливается тип связи «шарнир». Затем аналогично у опорного стержня шарниры устанавливаются в обоих узлах.
6. Назначение нагрузок
Для задания сосредоточенной силы и распределенной нагрузки выбираются соответствующие команды на вертикальной панели, а в открывающихся окнах вводятся соответствующие значения. Для моделирования сосредоточенного момента необходимо задать пару сил. Для этого вводятся узлы, ограничивающие консоли в точке приложения момента. Для удобства, расстояние между узлами принимается равным 1м. Тогда координаты узлов будут равны: [2.5, - 0.5], [2.5, 05]. Узлы соединяются с узлом 2 стержнями, а по краям прикладывается пара сил, сонаправленная с моментом и численно равная ему .
7. Чтение результатов
Для удобства чтения результатов рекомендуется выбрать а горизонтальной панели команду «Включить/Выключить нагрузки». Затем на горизонтальной панели поочередно выбираются команды R (реакции), М (моменты) и Q (поперечные силы).
В случае наложения результатов рекомендуется воспользоваться приближением (команда «увеличить» на горизонтальной панели).
Тема 2. Расчет статически определимой плоской рамы в ПВК SCAD.
Лабораторная работа 2.
Комплекс реализует конечно-элементное моделирование статических и динамических расчетных схем, проверку устойчивости, выбор невыгодных сочетаний усилий, подбор арматуры железобетонных конструкций, проверку несущей способности стальных конструкций.
2.1.Краткая характеристика методики расчета
В основу расчета положен метод конечных элементов с использованием в качестве основных неизвестных перемещений и поворотов узлов расчетной схемы. В связи с этим идеализа-
5
ция конструкции выполнена в форме, приспособленной к использованию этого метода, а именно: система представлена в виде набора тел стандартного типа (стержней, пластин, оболочек и т.д.), называемых конечными элементами и присоединенных к узлам.
Тип конечного элемента определяется его геометрической формой, правилами, определяющими зависимость между перемещениями узлов конечного элемента и узлов системы, физическим законом, определяющим зависимость между внутренними усилиями и внутренними перемещениями, и набором параметров (жесткостей), входящих в описание этого закона и др.
Узел в расчетной схеме метода перемещений представляется в виде абсолютно жесткого тела исчезающе малых размеров. Положение узла в пространстве при деформациях системы определяется координатами центра и углами поворота трех осей, жестко связанных с узлом. Узел представлен как объект, обладающий шестью степенями свободы - тремя линейными смещениями и тремя углами поворота.
Все узлы и элементы расчетной схемы нумеруются. Номера, присвоенные им, следует трактовать только, как имена, которые позволяют делать необходимые ссылки.
Основная система метода перемещений выбирается путем наложения в каждом узле всех связей, запрещающих любые узловые перемещения. Условия равенства нулю усилий в этих связях представляют собой разрешающие уравнения равновесия, а смещения указанных связей - основные неизвестные метода перемещений.
Вобщем случае в пространственных конструкциях в узле могут присутствовать все шесть перемещений:
1 - линейное перемещение вдоль оси X;
2 - линейное перемещение вдоль оси Y;
3 - линейное перемещение вдоль оси Z;
4 - угол поворота с вектором вдоль оси X (поворот вокруг оси X); 5 - угол поворота с вектором вдоль оси Y (поворот вокруг оси Y); 6 - угол поворота с вектором вдоль оси Z (поворот вокруг оси Z).
Нумерация перемещений в узле (степеней свободы), представленная выше, используется далее всюду без специальных оговорок, а также используются соответственно обозначения X, Y, Z, UX, UY и UZ для обозначения величин соответствующих линейных перемещений и углов поворота.
Всоответствии с идеологией метода конечных элементов, истинная форма поля перемещений внутри элемента (за исключением элементов стержневого типа) приближенно представлена различными упрощенными зависимостями. При этом погрешность в определении напряжений и деформаций имеет порядок (h/L)k, где h — максимальный шаг сетки; L — характерный размер области. Скорость уменьшения ошибки приближенного результата (скорость сходимости) определяется показателем степени k, который имеет разное значение для перемещений и различных компонент внутренних усилий (напряжений).
2.2.Расчетная схема
Системы координат
Для задания данных о расчетной схеме могут быть использованы различные системы координат, которые в дальнейшем преобразуются в декартовы. В дальнейшем для описания расчетной схемы используются следующие декартовы системы координат:
Глобальная правосторонняя система координат XYZ, связанная с расчетной схемой Локальные правосторонние системы координат, связанные с каждым конечным элементом.
Тип схемы
Расчетная схема определена как система с признаком 5. Это означает, что рассматривается си-
6
стема общего вида, деформации которой и ее основные неизвестные представлены линейными перемещениями узловых точек вдоль осей X, Y, Z и поворотами вокруг этих осей.
Количественные характеристики расчетной схемы
Расчетная схема характеризуется следующими параметрами: Количество узлов — -15499 Количество конечных элементов — -16354
Общее количество неизвестных перемещений и поворотов — 1083349 Количество загружений — 4 Количество комбинаций загружений — 2
Выбранный режим статического расчета
Статический расчет системы выполнен в линейной постановке.
Набор исходных данных
Детальное описание расчетной схемы содержится в документе "Исходные данные", где в табличной форме представлены сведения о расчетной схеме, содержащие координаты всех узлов, характеристики всех конечных элементов, условия примыкания конечных элементов к узлам и др.
Граничные условия
Возможные перемещения узлов конечно-элементной расчетной схемы ограничены внешними связями, запрещающими некоторые из этих перемещений. Наличие таких связей помечено в таблице "Координаты и связи" описания исходных данных символом #.
Условия примыкания элементов к узлам
Точки примыкания конечного элемента к узлам (концевые сечения элементов) имеют одинаковые перемещения с указанными узлами.
Характеристики использованных типов конечных элементов
В расчетную схему включены конечные элементы следующих типов.
Конечные элементы оболочек, геометрическая форма которых на малом участке элемента является плоской (она образуют многогранник, вписанный в действительную криволинейную форму срединной поверхности оболочки). Для этих элементов, в соответствии с идеологией метода конечных элементов, истинная форма перемещений внутри элемента приближенно представлена упрощенными зависимостями. Описание их напряженного состояния связано с местной системой координат, у которой оси X1 и Y1 расположены в плоскости элемента и ось Х1 направлена от первого узла ко второму, а ось Z1 ортогональна поверхности элемента.
Треугольный элемент типа 42, не является совместным и моделирует поле нормальных перемещений внутри элемента полиномом 4 степени, а поле тангенциальных перемещений полиномом первой степени. Располагается в пространстве произвольным образом.
Четырехугольный элемент типа 44, который имеет четыре узловые точки, не является совместным и моделирует поле нормальных перемещений внутри элемента полиномом 3 степени, а поле тангенциальных перемещений неполным полиномом 2 степени. Располагается в пространстве произвольным образом.
Результаты расчета
В настоящем отчете результаты расчета представлены выборочно. Вся полученная в результате расчета информация хранится в электронном виде.
Перемещения
Вычисленные значения линейных перемещений и поворотов узлов от загружений представлены в таблице результатов расчета «Перемещения узлов».
Вычисленные значения линейных перемещений и поворотов узлов от комбинаций загружений
7
представлены в таблице результатов расчета «Перемещения узлов от комбинаций».
Правило знаков для перемещений
Правило знаков для перемещений принято таким, что линейные перемещения положительны, если они направлены в сторону возрастания соответствующей координаты, а углы поворота положительны, если они соответствуют правилу правого винта (при взгляде от конца соответствующей оси к ее началу движение происходит против часовой стрелки).
Усилия и напряжения
Вычисленные значения усилий и напряжений в элементах от загружений представлены в таблице результатов расчета «Усилия/напряжения элементов».
Вычисленные значения усилий и напряжений в элементах от комбинаций загружений представлены в таблице результатов расчета «Усилия/напряжения элементов от комбинаций загружений».
Для стержневых элементов усилия по умолчанию выводятся в концевых сечениях упругой части (начальном и конечном) и в центре упругой части, а при наличии запроса пользователя и в промежуточных сечениях по длине упругой части стержня. Для пластинчатых, обьемных, осесимметричных и оболочечных элементов напряжения выводятся в центре тяжести элемента и при наличии эапроса пользователя в узлах элемента.
Правило знаков для усилий (напряжений)
Правила знаков для усилий (напряжений) приняты следующими: В конечных элементах оболочки вычисляются следующие усилия: нормальные напряжения NX, NY;
сдвигающее напряжений TXY;
моменты MX, MY и MXY;
перерезывающие силы QX и QY; реактивный отпор упругого основания RZ.
На рисунке показаны положительные значения напряжений, перерезывающих сил и векторов моментов, действующие по граням элементарного прямоугольника, вырезанного в окрестности центра тяжести КЭ оболочки.
Суммарные значения приложенных нагрузок по нагружениям.
В протоколе решения задачи для каждого из нагружений указываются значения суммарной узловой нагрузки, действующей на систему.
Выполняется расчёт статически определимой плоской рамы в ПВК SCAD. Анализ результатов.
Тема 3. Расчет пространственной фермы в ПВК SCAD.
Лабораторная работа 3.
Выполняется расчёт пространственной фермы в ПВК SCAD. Вариация моделей. Расчёт фермы при различных типах конечных элементов. Сравнение результатов. Для расчета про-
8
странственных ферм в ПВК SCAD используется конечный элемент «пространственный стержень» следующих типов: стержень пространственный фермы, имеющий 6 степеней свободы, либо стержень пространственной рамы, имеющий 12 степеней свободы, при условии грамотного назначения шарниров по концам стержня. Второй случай, несмотря на большие затраты памяти ЭВМ, позволяет прикладывать внеузловую нагрузку, что может уточнить результаты расчета реального сооружения. Сбор нагрузок на ферму должен отвечать требованиям СП
20.13330.
Тема 4: Статический расчет плоской рамы одноэтажного каркасного промышленного здания.
Лабораторные работы 4-6
Рассматривается компоновка каркаса одноэтажного промышленного здания. Определяется предварительное назначение сечений. Производится сбор нагрузок. Проводится статический расчет плоской рамы одноэтажного каркасного промышленного здания. Сбор нагрузок и назначение жесткостей выполняется в соответствии с СП 20.13330, СП 16.13330.
При назначении жесткостей двухветвевой части колоны применяется 2 подхода – назначение стержня эквивалентной жесткости и моделирование обеих ветвей колонны с примыкающей к ним решеткой. Приводятся понятия жестких вставок и абсолютно жестких тел и их применение в расчетной схеме. рассматриваются особенности работы конструкций под действием крановых нагрузок. Рассматривается каркасс с шарнирным и жестким прикреплением ригеля. По результатам расчета проводится сравнение усилий дял обоих вариантов.
Тема 5: Статический расчет пространственной схемы одноэтажного каркасного промышленного здания.
Лабораторные работы 7-8
Проводится статический расчет пространственной схемы одноэтажного каркасного промышленного здания. Сбор нагрузок и назначение жесткостей выполняется в соответствии с СП 20.13330, СП 16.13330. Для создания пространственной схемы может быть применена расчетная схема из Л.Р. 4-6, с ее копированием и переназначением типов конечных элементов. Изучаются вопросы расстановки связей, обеспечивающих пространственную жесткость системы. Разбирается различие сквозных и стержневых связей, анализируются различия в результатах расчета. Отдельно рассматривается вопрос определения усилий в связях от действия нагрузок, перпендикулярных плоскости рам. Затрагиваются вопросы. связанные с моделированием податливого основания колонн и влиянием данных эффектов на возникающие усилия.
Тема 6: Расчет перфорированной стальной балки в ПВК SCAD.
Лабораторные работы 9-11
В данной лабораторной работе студентам предлагается выполнить расчет перфорированной балки с использованием пространственной конечно-элементной модели в программном комплексе StructureCAD. Берутся исходные данные. Сбор нагрузок. Нагрузки, действующие на конструкции зданий и сооружений, следует определять в соответствии с требованиями СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия». Несущие конструкции проектируемого здания воспринимают постоянные нагрузки от собственного веса кровли и снеговые нагрузки. Нагрузки
9
на прогон. Постоянные нагрузки, действующие на прогон, зависят от принимаемой конструкции кровли. Подбор сечения прогона. Нагрузки на перфорированную балку.Нагрузка на перфорированную балку возникает в местах опирания прогонов. При этом она вычисляется как отношение реакций в опорах прогонов к площади опирания.
Моделирование расчетной схемы перфорированной балки. Приведен алгоритм построения ко- нечно-элементной модели балки в программном комплексе Structure CAD.
Выполняется запуск программы. В открывшемся окне вводится название объекта, выбираются единицы измерения и тип схемы. Рекомендуется выбрать единицы измерения, соответствующие системе СИ. Необходимый тип схемы – система общего вида.
Для построения конечно-элементной модели необходимо задать координаты узлов, составляющих основные сечения копируемого модуля балки. За копируемый модуль принимается часть конструкции, содержащая одну перфорацию. Координаты узлов задаются с учетом геометрических размеров балки, указанных в задании. Для этого следует последовательно выбрать следующие пункты:
Узлы и элементы – узлы – ввод узлов
В открывшемся окне поочередно вводятся координаты узлов первого и второго сечения балки. Затем выполняется ввод четырехугольных пластин:
Узлы и элементы – элементы – добавление пластины
Поочередно выбираются узлы, составляющие пластины. После выделения каждых четырех узлов следует нажимать клавишу Enter.
Далее поочередно вводятся узлы и пластины всех основных сечений копируемого моду-
ля.
После ввода пластин копируемого модуля следует задать материал и толщину пластин:
Назначения – назначение жесткостей пластинам
В открывшемся окне следует выбрать материал (сталь обыкновенная), после чего задать толщины пластин. Толщины поясов и стенки балки задаются в соответствии с заданием.
Далее выполняется конечно-элементная разбивка каждой пластины:
Узлы и элементы – элементы – дробление 4-х узловых пластин.
В открывшемся окне выбирается количество дроблений для каждой пластины. Полученный модуль копируется следующим образом:
Схема – копирование схемы
В графе «шаг» вводится длина модуля, в графе количество – «1».
После выполнения копирования в крайнем левом сечении вводится ребро жесткости. Для ребра жесткости также необходимо выбрать толщину и выполнить конечно-элементную разбивку.
Далее выполняется копирование схемы для создания модели балки Установка связей выполняется следующим образом:
Назначения – установка связей в узлах.