Кротов С.В. Расчеты конструкций с применением STARK ES. Учеб пособ. 2021

РОСЖЕЛДОР

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Ростовский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВО РГУПС)

__________________________________________________________________

С. В. Кротов

РАСЧЕТЫ КОНСТРУКЦИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ STARK_ES

Учебное пособие

Утверждено учебно-методическим советом университета

Ростов-на-Дону

2021

УДК 620.175 (07) + 06

Рецензенты: доктор технических наук, профессор С. В. Кузнецов (Шахтинский институт (филиал) ФГБОУ ВО ЮРГПУ); кандидат технических наук, доцент Е. Н. Зубков (ФГБОУ ВО РГУПС)

Кротов, С. В.

Расчеты конструкций с применением STARK_ES : учебное пособие / С. В. Кротов ; ФГБУ ВО РГУПС. – Ростов-на-Дону, 2021. – 68 с. : ил. – Библиогр.: с. 67.

ISBN 978-5-88814-946-1

Содержится методика расчета статически определимых и статически неопределимых конструкций. Приведены примеры расчета рам в программном комплексе STARK_ES.

Учебное пособие предназначено для студентов специальностей «Строительство железных дорог и транспортных тоннелей», «Подвижной состав железных дорог», «Прикладная механика», «Строительство», «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», «Наземные транспортнотехнологические средства» всех форм обучения, выполняющих расчетнографические работы и лабораторные задания по дисциплине «Строительная механика», а также для аспирантов.

Одобрено к изданию кафедрой «Строительная механика».

ISBN 978-5-88814-946-1

© Кротов С. В., 2021 © ФГБОУ ВО РГУПС, 2021

2

Оглавление

Введение ………………………………………………………………..... 4

1 МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИ ОПРЕДЕЛИМОЙ БАЛКИ … 6

1.1Построение геометрической модели …………………………….. 7

1.2Назначение характеристик материала …………..……………….. 10

1.3 Установка опор .…………………………………………………… 12

1.4Назначение нагрузок ………….…………………………………... 12

1.5Расчет балки и анализ результатов ………………...…………….. 16

2.1Моделирование шарнирной балки ……………………………..... 31

2.2Назначение характеристик материала ...…………………………. 34

2.3Установка опор ……...…………………………………………….. 35

3.5Расчет рамы и анализ результатов ……………………………….. 55

3.6Изменение конструкции рамы ……………………………………. 63

Библиографический список …………………………………………….. 67

3

Введение

В настоящее время в расчетах строительных конструкций, их физических параметров, прочностных и жесткостных характеристик в качестве обязательного инструмента используются зарубежные расчетные комплексы, например, ANSYS, NASTRAN, ABAQUS и многие другие. Это так называемые «тяжелые» программы, с помощью которых можно выполнять моделирование любых строительных объектов, таких как мосты, тоннели, высотные сооружения, плотины и т.п. Помимо прочностных расчетов выполняются расчеты электрических и магнитных полей, гидравлики и газодинамики, радиации и т.п. Автором в 2015–2019 гг. издано учебное пособие в пяти частях «Расчеты на прочность, жесткость и устойчивость элементов конструкций и сооружений с применением ANSYS», посвященное всевозможным задачам из области интересов дисциплин «Сопротивления материалов», «Строительной механики» и других наук прочностного цикла, которые можно и нужно решать при помощи расчетных комплексов.

Выполнение расчетов в комплексе ANSYS, обладающем неограниченными возможностями, доставляет эстетическое удовольствие, поскольку программа имеет яркий интерфейс, представительность. ANSYS может использоваться для решения сложнейших научных задач, но это сложная в освоении программа, к тому же она реализована на английском языке.

В инженерных расчетах элементов строительных конструкций, таких как балки, рамы, колонны и т.п., возможно использовать более «легкие» расчетные комплексы, например, «Лира» (Украина, Россия), STARK_ES (Россия). Они реализованы на русском языке, просты в управлении и предназначены в основном для проектирования и расчета строительных конструкций и их элементов, что входит в задачи учебных курсов вузов. Здесь нет расчетов гидравлических параметров трубопровода или горения резины, но можно выполнить расчеты вполне реальных строительных объектов при воздействии температуры, ветровой нагрузки, при динамическом воздействии, рассмотреть вопросы устойчивости сооружений.

С помощью программы STARK_ES выполнены расчеты многих действующих сооружений, среди которых:

–52-этажное здание по ул. Мосфильмовской (Москва);

–высотное здание на участке № 14 Московского международного делового центра «Москва-Сити». Высота здания – 380 м, это самое высокое офисное здание в Европе;

–24-этажный дом, расположенный в комплексе OLYMP TOWERS в переулке Доломановском, его высота 86 м; спроектировано 32-этажное жилое здание для постройки на проспекте Кировском в г. Ростов-на-Дону;

–футбольный стадион на 62 тыс. мест в западной части Крестовского острова в Санкт-Петербурге. Стадион уникален для России, имеет и раздвижную часть покрытия, и выкатное поле, перемещаемое за пределы стадиона, покрытие диаметром 285 м;

4

–центральный стадион на 43,5 тыс. мест в г. Ростов-на-Дону (размеры в плане 234×272 м, высота 42,8 м);

–торгово-офисно-гостиничный комплекс по внешней стороне 41 км МКАД. Это огромный комплекс с общей площадью около 1300 тыс. м2, имеет 5 подземных и 13 надземных этажей;

–торгово-выставочный комплекс «Крокус-сити» с гостиницей в г. Красногорске, высота здания гостиницы 159 м;

–футбольный стадион «Локомотив» (г. Москва). Очертание висячего покрытия в плане представляет собой овал с размерами по главным осям сооружения 205,67 и 157,35 м, ширина козырька 33 м.

В основном во всех сооружениях применяется конструктивная система – монолитный железобетонный каркас.

В этом случае с точки зрения строительной механики рассчитываемая конструкция рассматривается как статически неопределимая, к расчету которой применяются методы сил и перемещений, комбинированный и смешанный методы, апробированные в «Строительной механике».

В свою очередь, статически неопределимые системы состоят из элементов, расчет которых проводится при условии их равновесия, а также равенства внешних и внутренних сил, т.е. они рассматриваются как статически определимые составляющие всей конструкции, для которых выполняется определение внутренних силовых факторов.

В связи с этим освоение расчетного комплекса STARK_ES рекомендуется начинать как раз со статически определимых балок, являющихся наиболее часто встречающимся объектом исследований в учебных курсах вузов, в которых преподаются дисциплины прочностного цикла, и прежде всего «Сопротивление материалов» и «Строительная механика».

В условиях постоянно оптимизируемых методик различных курсов прочностного цикла (при взятом правительством РФ курсе на цифровизацию многих областей деятельности) освоение и использование программного комплекса STARK_ES [5, 6] необходимо студентам для решения задач и изучения сложных предметов.

Расчетный комплекс может стать основой изучения предметов прочностного цикла как при очном, так и при и дистанционном способе обучения. Впоследствии этот комплекс можно и нужно применять в курсовых проектах и дипломных работах при реальных расчетах.

Данное учебное пособие содержит подробную методику расчета статически определимой балки, но рассмотренные приемы могут также быть использованы для расчета статически неопределимых балок, рам, ферм. Здесь прежде всего рассмотрены вопросы построения эпюр внутренних усилий как показатели напряженно-деформированного состояния конструкции или отдельной ее части.

Приведенную методику можно применять в процессе выполнения расчет- но-графических работ по дисциплине «Строительная механика» и «Сопротивление материалов» [1, 2], а также для расчета реальных конструкций по нормативным методикам [3, 4].

5

1 МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИ ОПРЕДЕЛИМОЙ БАЛКИ

Рассмотрим последовательность расчета статически определимой двухопорной балки с консолью (рис. 1.1).

Брус, находящийся под действием сосредоточенной силы F = 20 кН, приложенной вдоль вертикальной оси бруса, сосредоточенного момента М = 50 кНм и равномерно распределенной нагрузки q = 30 кН/м на пролете, имеет прямоугольное поперечное сечение, выполнен из стали (см. рис. 1.1).

Будем использовать характеристики материала балки, введенные в программу по умолчанию. Допускаемое напряжение = 160 МПа; допускаемая

Рис. 1.1. Расчетная схема статически определимой балки

Требуется:

–построить эпюру изгибающих моментов;

–построить эпюру поперечных сил;

–построить вид изогнутой оси балки.

Впрограммном комплексе STARK_ES создаем новый проект, выбрав ко-

манду Файл > Создать > Создать проект (рис. 1.2).

Впоявившемся окне (см. рис. 1.2) задаем тип проекта (FEA-проект) и вы-

бираем опцию Создать в корневой директории \ StarkPrj.

Далее необходимо ввести имя файла (например, BEAM), имя проекта (имя каталога, в котором будут храниться файлы проекта) и имя исполнителя (своя фамилия).

Вимени проекта рекомендуется использовать свою фамилию, так как это облегчит поиск своих данных на жестком диске. ОК.

6

На схеме появятся дополнительные узлы (рис. 1.5, г). Повторяем ту же операцию, но с количеством делений 3. В результате пролет разбит на 8 частей, а консоль на 4 части. Таким образом, длина каждого участка составила 0,5 м.

Сохраняем геометрическую модель балки, нажимая на кнопку .

а

б

в

г

Рис. 1.5. Геометрическая модель балки

Появится окно с сообщением о том, что в проекте имеются элементы с незаданными материалами (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Предупреждение о материалах

9

Выбираем ответ Да. Затем в окне Сохранить как сохраняем проект под выбранным именем.

Если используется некоммерческая свободно распространяемая версия программы, появляется предупреждение (рис. 1.7). ОК.

Рис. 1.7. Предупреждение о версии программы

1.2 Назначение характеристик материала

Для назначения характеристик материала в главном меню программы вы-

бираем КЭ-модель > Материалы > Редактировать > назначить. В окне ввода включаем кнопку 2D-стержни. Для назначения нового материала на планке переключателей нажимаем кнопку Новый материал.

В появившемся окне Новый материал (рис. 1.8) устанавливаем номер задаваемого материала 1.

Заданные характеристики жесткости:

–площадь A = 0,01 м2 (вводим 0.01);

–момент инерции I = 0,00000833 м4 (вводим 0.00000833);

–модуль упругости материала Е = 2,0·108 кПа (вводим 2.0e+08);

–модуль сдвига G = 8,0·107 кПа (вводим 8.0e+07);

–сдвиговая площадь Aq = 0 (сдвиговые деформации не учитываем);

–плотность материала Rho = 0 (выполняем расчет без учета собственного

веса).

10