Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office 21

1. РАСЧЕТ металлоконструкций в среде SCAD Office: реализация европейских норм проектирования

“Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office 21”
Москва, 22-23 апреля 2015 г.
РАСЧЕТ
металлоконструкций
в среде SCAD Office:
реализация европейских
норм проектирования
Юрченко В. В., к. т. н.
ведущий научный сотрудник SCAD Soft

2.

SCAD 21.1.1.1 ПОСТПРОЦЕССОР «Сталь»
Расчет элементов металлических конструкций
Инструментальные панели
Ввод данных для расчета несущей способности стальных сечений
Список конструктивных элементов и
групп конструктивных элементов
Список групп унификации
Расчет несущей способности стальных сечений и анализ результатов
Список конструктивных элементов и
групп конструктивных элементов
Список групп
унификации
Москва, 22-23 апреля, 2015
Список
факторов
2/33

3.

SCAD 21.1.1.1 ПОСТПРОЦЕССОР «Сталь»
Расчет элементов металлических конструкций
Ввод исходных данных: назначение параметров по умолчанию
Назначение параметров по умолчанию:
Марка стали
Москва, 22-23 апреля, 2015
3/33

4.

SCAD 21.1.1.1 ПОСТПРОЦЕССОР «Сталь»
Расчет элементов металлических конструкций
Ввод исходных данных: назначение параметров по умолчанию
Назначение параметров по умолчанию:
Коэффициент
условий работы
Москва, 22-23 апреля, 2015
4/33

5.

SCAD 21.1.1.1 ПОСТПРОЦЕССОР «Сталь»
Расчет элементов металлических конструкций
Ввод исходных данных: назначение параметров по умолчанию
Назначение параметров по умолчанию:
Предельные гибкости
Москва, 22-23 апреля, 2015
5/33

6.

SCAD 21.1.1.1 ПОСТПРОЦЕССОР «Сталь»
Расчет элементов металлических конструкций
Концепция конструктивного элемента
Конструктивный элемент – некоторый набор стержневых КЭ,
моделирующих физически однородный элемент конструкции и
удовлетворяющий ряду требований. Стержневые КЭ данного набора:
1) лежат на одной прямой;
2) образуют непрерывную (без «разрывов») цепочку конечных элементов;
3) имеют одинаковый тип жесткости;
4) имеют одинаковую ориентацию главных осей иннерции поперечных
сечений;
5) не имеют жестких вставок и шарниров (шарниры допускаются только в
начальном и конечном узлах цепочки).
Геометрическая длина конструктивного элемента равна сумме длин
стержневых КЭ, его образующих !!!
Москва, 22-23 апреля, 2015
6/33

7.

SCAD 21.1.1.1 ПОСТПРОЦЕССОР «Сталь»
Расчет элементов металлических конструкций
Ввод исходных данных: назначение конструктивных элементов
Признак
конструктивного
элемента:
элемент общего вида
стойка;
балка;
элемент пояса фермы;
элемент решетки фермы;
опорный раскос фермы;
опорная стойка фермы.
Москва, 22-23 апреля, 2015
7/33

8.

SCAD 21.1.1.1 ПОСТПРОЦЕССОР «Сталь»
Расчет элементов металлических конструкций
Назначение конструктивных элементов – ЭЛЕМЕНТ ОБЩЕГО ВИДА
Расчетные длины
при изгибном выпучивании
относительно главных осей
Предельные гибкости
Расчетная длина для
проверки устойчивости
плоской формы изгиба
Москва, 22-23 апреля, 2015
8/33

9.

SCAD 21.1.1.1 ПОСТПРОЦЕССОР «Сталь»
Расчет элементов металлических конструкций
Назначение конструктивных элементов - БАЛКА
Продольная сила в
сечениях ИГНОРИРУЕТСЯ !
Расчетная длина для
проверки устойчивости
плоской формы изгиба
Москва, 22-23 апреля, 2015
9/33

10.

SCAD 21.1.1.1 ПОСТПРОЦЕССОР «Сталь»
Расчет элементов металлических конструкций
Назначение конструктивных элементов – ЭЛЕМЕНТ ОБЩЕГО ВИДА
Работа конструктивного
элемента в границах упругопластических или упругих
деформаций стали
Коэффициент надежности
по ответственности
Москва, 22-23 апреля, 2015
10/33

11.

SCAD 21.1.1.1 ПОСТПРОЦЕССОР «Сталь»
Расчет элементов металлических конструкций
Концепция группы конструктивных элементов
Группа конструктивных
элементов – некоторый набор
стержневых КЭ, каждый из которых
автоматически интерпретируется
как конструктивный элемент.
Элементы группы
конструктивных элементов
обладают одинаковой маркой
стали, имеют одинаковые
коэффициенты (или значения)
расчетных длин, а также
одинаковые значения (формулы)
предельных гибкостей.
Обязательным условием для стержневых КЭ, входящих в состав группы
конструктивных элементов, является одинаковый тип сечения !!!
Москва, 22-23 апреля, 2015
11/33

12.

SCAD 21.1.1.1 ПОСТПРОЦЕССОР «Сталь»
Расчет элементов металлических конструкций
Прочностные проверки по СП 16.13330.2011
Прочность на сжатие/растяжение при действии продольной силы N –
п. 7.1.1:
N
An R y c
1
Прочность при действии изгибающего момента My (Mz) – пп. 8.2.1:
My
Wn , y ,min R y c
1;
Mz
1;
Wn , z ,min R y c
Сдвиговая прочность при действии поперечной силы Qz (Qy) – пп. 8.2.1:
Qz S y
I y t w Rs c
1;
Qy Sz
I z t w Rs c
1;
Москва, 22-23 апреля, 2015
12/33

13.

SCAD 21.1.1.1 ПОСТПРОЦЕССОР «Сталь»
Расчет элементов металлических конструкций
Прочностные проверки по СП 16.13330.2011
Прочность по приведенным напряжениям при одновременном
действии момента My (Mz) и поперечной силыQz (Qy) – пп. 8.2.1:
xy
0,87
2
x2 x y y2 3 xy
1;
1;
R y c
Rs c
Изгибная прочность при одновременном действии двух изгибающих
моментов My и Mz – п.8.2.1:
My
Mz
z
y 1;
I yn R y c
I zn R y c
Прочность при одновременном действии двух изгибающих моментов
My и Mz и продольной силы N – п. 9.1.1:
Mz
1 N My
z
y 1;
Ry c An I yn
I zn
n
N
My
Mz
1;
An Ry c c yW yn ,min Ry c czWzn ,min Ry c
Москва, 22-23 апреля, 2015
13/33

14.

SCAD 21.1.1.1 ПОСТПРОЦЕССОР «Сталь»
Расчет элементов металлических конструкций
Проверки устойчивости по СП 16.13330.2011
Устойчивость центрально-сжатых элементов – пп. 7.1.3:
N
1
ARy c
Устойчивость центрально-сжатых элементов открытого сечения при
изгибно-крутильной форме выпучивания – пп. 7.1.5:
N
1
c ARy c
Устойчивость изгибаемых элементов при потере устойчивости плоской
формы изгиба – п. 8.4.1:
M
y
bWcy Ry c
1
Устойчивость внецентренно сжатых и сжато-изгибаемых элементов по
изгибной и изгибно-крутильной формам выпучивания – пп. 9.2.1...9.2.4:
N
N
1;
1
e ARy c
c y ARy c
Москва, 22-23 апреля, 2015
14/33

15.

SCAD 21.1.1.1 ПОСТПРОЦЕССОР «Сталь»
Расчет элементов металлических конструкций
Результаты расчета и ограничения реализации (СНиП, СП)
• растянутые стержни не
проверяются на прочность с учетом
расчетного сопротивления по пределу
прочности стали, как элементы,
эксплуатация которых возможна и после
достижения предела текучести;
• значения приведенных гибкостей
сквозных стержней вычислены по более
точным формулам табл.13 Пособия к
СНиП II-23-81*;
• при вычислении коэффициента
устойчивости плоской формы
изгиба в запас несущей способности
принято, что нагрузка имеет вид
равномерно распределенной и
приложена к сжатому поясу, который не
закреплен в пролете от потери
устойчивости.
Москва, 22-23 апреля, 2015
15/33

16.

КРИСТАЛЛ 21.1.1.1
Расчет элементов металлических конструкций по EN1993-1-1
Главное окно программы
Информационные режимы:
Сталь
Сортамент
металлопроката
Болты
Расчетные режимы:
Геометрические
характеристики
Сопротивление сечений
Критический момент
Огибающие
Балки
Стойки
Связи
Болтовые соединения
Сварные соединения
Стыки балок
Узлы сопряжений ригеля с
колонной
Москва, 22-23 апреля, 2015
16/33

17.

КРИСТАЛЛ 21.1.1.1
Расчетный режим «Сопротивление сечений» (EN1993-1-1)
Исходная информация о сечении
Геометрическая длина
элемента
Типы поперечных сечений,
реализованные в программе
Москва, 22-23 апреля, 2015
17/33

18.

КРИСТАЛЛ 21.1.1.1
Расчетный режим «Сопротивление сечений» (EN1993-1-1)
Внутренние усилия в сечении
Общий случай нагружения
(произвольное количество
комбинаций)
Импорт расчетных
сочетаний усилий
Москва, 22-23 апреля, 2015
18/33

19.

КРИСТАЛЛ 21.1.1.1
Расчетный режим «Сопротивление сечений» (EN1993-1-1)
Главное окно программы и классы сечений
1 класс – “полный
шарнир”
2 класс – упругопластические деформации
стали
3 класс – упругие
деформации стали при
отсутствии потери местной
устойчивости
4 класс – потеря местной
устойчивости элементов
сечения
Москва, 22-23 апреля, 2015
19/33

20.

КРИСТАЛЛ 21.1.1.1
Учет закритический работы элементов конструкций (EN1993-1-1)
Концепция «эффективной ширины» элементов сечений
b
“Эффективная ширина” тонкой пластины при
отсутствии несовершенств (по вон Карману):
cr ,beff
k 2 E
b
12 1 v 2 eff
t
2E
2
b
f y p p
beff
2
Расчетные
напряжения
Фактические
напряжения
Nx
0,5be
0,5be
bf
bf,c
bf,in
a
fy
r
R
Nx
cr
E
1
1
f y p p
u
h
hc
hin
u
beff
b
0,5be
0,5be
1,0
0,8
фон Карман
Вінтер
0,6
“Эффектиная ширина” тонкой пластины с
несовершенствами (по Винтеру):
0,4
beff
Ейлер
0,2
0
p
0
1,0
2,0
b
fy
fy
1 0, 22
b
1
,
052
1
;
p
cr
t k E
p
p
3,0
Москва, 22-23 апреля, 2015
20/33

21.

КРИСТАЛЛ 21.1.1.1
Расчетный режим «Сопротивление сечений» (EN1993-1-1)
Построение эффективного сечения и корректировка усилий
Расчет “эффективных”
ширин сжатых элементов
сечения, учитывающих
местную потерю
устойчивости
Корректировку внутренних
усилий необходимо выполнять
только:
► для расчетных сечений, в
которых происходит местная
потеря устойчивости элементов
сечения (стенок, полок);
► и только лишь в тех случаях,
когда такая корректировка
приводит к увеличению
значений изгибающих моментов
M y , jkm M y , jkm N jkm ez , jkm
M z , jkm M z , jkm N jkm e y , jkm
Москва, 22-23 апреля, 2015
21/33

22.

КРИСТАЛЛ 21.1.1.1
Расчетный режим «Сопротивление сечений» (EN1993-1-1)
Прочностные проверки при осевом растяжении и сжатии
Прочность на растяжение при действии продольной силы N – пп. 6.2.3:
N jkm
N tRd , j
N jkm M 0
Ag , j f y , j
1,0
Прочность на сжатие при действии продольной силы N – пп. 6.2.4:
Когда Aeff , jkm Ag , j
Когда Aeff , jkm Ag , j
N jkm
N cRd , jkm
N jkm
N cRd , j
N jkm M 0
f y , j Aeff , jkm
N jkm M 0
Ag , j f y , j
1,0
1,0
4 класс
2, 3 классы
Москва, 22-23 апреля, 2015
22/33

23.

КРИСТАЛЛ 21.1.1.1
Расчетный режим «Сопротивление сечений» (EN1993-1-1)
Прочностные проверки при изгибе
Изгибная прочность при действии момента My (Mz) – пп. 6.2.5:
4 класс
2, 3 классы
M y , jkm
M cRd , jkm
M
y , jkm
N jkm ez , jkm M 0
W y ,eff , jmk f y , j
M y , jkm M 0
1,0
W y ,el , j f ya , j
1 0
Изгибная прочность при косом изгибе – пп. 6.2.9.3:
4 класс
M 0 M y , jkm N jkm ez , jkm
f y , j
W y ,eff , jmk
2, 3 классы
M z , jkm N jkm e y , jkm
1,0
Wz ,eff , jmk
M 0 M y , jkm
f y, j
W y ,el , j
M z , jkm
1,0
Wz ,el , j
Сдвиговая прочность при действии поперечной силы Qz (Qy) –
пп. 6.17...6.20:
Qz , jmk S y , j M 0
0,58 I y , j t w f y , j
1,0 3, 4 классы
Qz , jmk M 0
0,58 f y , j Avz , j
1,0
Москва, 22-23 апреля, 2015
2 класс
23/33

24.

КРИСТАЛЛ 21.1.1.1
Расчетный режим «Сопротивление сечений» (EN1993-1-1)
f y , j Avz , j
Qz , jkm
Прочностные проверки на совместное действие при
2 3 M 0
Изгибная прочность при одновременном действии изгибающего момента
My (Mz) и поперечной силы Qz (Qy) – пп. 6.2.8:
M y , jkm M 0
2
A
vz
,j
2 класс: f
W
y, j
y , pl , j
4t w , j
M y , jkm M 0
3 класс:
A
f y , j W y ,el , j
6t w , j
2
vz , j
1, 0
1, 0
2Qz , jkm M 0
1
0, 58 A f
vz , j y , j
M
4 класс:
y , jkm
2
N jkm ez , jkm M 0
A
f y , j W y ,eff , jkm
6t w , j
2
vz , eff , jkm
1, 0
Изгибная прочность при одновременном действии изгибающего момента
My, продольной N и поперечной Qz сил – пп. 6.2.10:
N jkm
N cRd , jkm
M y , jkm N jkm e z , jkm
M y ,cRd , jkm
M yf , pl , Rd , j
1
M y , pl ,cRd , j
2
2Qz , jkm M 0
1 1,0
0,58 f y , j Avz , j
Москва, 22-23 апреля, 2015
24/33

25.

КРИСТАЛЛ 21.1.1.1
Расчетный режим «Сопротивление сечений» (EN1993-1-1)
Прочностные проверки на совместное действие
Изгибная прочность при одновременном действии изгибающих
моментов My, Mz и продольной силы N – пп. 6.2.9:
2 класс:
M y , jkm
M Ny , Rd , j
M z , jkm
M Nz , Rd , j
для двутавровых сечений:
5 N jkm M 0
2;
1,0
Ag , j f y
для прямоугольных труб:
1,0
3 класс:
4 класс:
N jkm
Ag , j f y , j
N jkm
Aeff , jkm f y , j
M y , jkm
W y ,el ,min, j f y , j
M z , jkm
Wz ,el ,min, j f y , j
M y , jkm N jkm ez , jkm
W y ,eff ,min jkm f y , j
1,66
N jkm M 0
1,0 1,13
Ag , j f y , j
1
2
6,0
M0
M z , jkm N jkm e y , jkm
Wz ,eff ,min jkm f y , j
1
M0
Москва, 22-23 апреля, 2015
25/33

26.

КРИСТАЛЛ 21.1.1.1
Расчетный режим «Сопротивление сечений» (EN1993-1-1)
Проверки устойчивости при центральном сжатии
Несущая способность, ограниченная изгибной формой потери
устойчивости при действии сжимающей силы – пп. 6.3.1:
N jkm M 1
4 класс:
N jkm M 1
1,0
y , jmk Aeff , jmk f y , j
N jkm M 1
1,0
z , jmk Aeff , jmk f y , j
2, 3 классы:
1,0
y , j Ag , j f y , j
N jkm M 1
1,0
z , j Ag , j f y , j
Несущая способность, ограниченная крутильной и изгибно-крутильной
формами потери устойчивости – пп. 6.3.1:
4 класс:
N jkm M 1
T , jmk Aeff , jmk f y , j
2, 3 классы:
1,0
N jkm M 1
TF , jmk Aeff , jmk f y , j
1,0
N jkm M 1
T , j Ag , j f ya , j
1 0
N jkm M 1
TF , j Ag , j f ya , j
Москва, 22-23 апреля, 2015
1 0
26/33

27.

КРИСТАЛЛ 21.1.1.1
Расчетный режим «Сопротивление сечений» (EN1993-1-1)
Проверки устойчивости при центральном сжатии
Изгибные формы выпучивания при центральном сжатии:
N cr , y , j E
2
i y2, j
lef2 , y
Ag , j ; N cr , z , j E
2
iz2, j
lef2 , z
Ag , j
Крутильная форма выпучивания при центральном сжатии:
GI t , j
N cr ,T , j
2 EI , j
lef2 ,T , j
i y2, j iz2, j y0,2 j z0,2 j
2 EI , j
1
2 GI t , j 2
i0, j
lef ,T , j
Изгибно-крутильная форма выпучивания при центральном сжатии:
N cr ,TF , j
N cr , y , j i0,2 j
2 i0,2 j y0,2 j
1 N cr ,T , j 1 N cr ,T , j
N cr , y , j
N cr , y , j
2
y0, j
4
i0, j
2
N cr ,T , j
N cr , y , j
Москва, 22-23 апреля, 2015
27/33

28.

КРИСТАЛЛ 21.1.1.1
Расчетный режим «Сопротивление сечений» (EN1993-1-1)
Проверки устойчивости при центральном сжатии
imp
yimp
, j 0,49; z , j 0,49
yimp
, j 0, 21
zimp
, j 0, 34
yimp
, j 0, 34
zimp
, j 0, 34
imp
yimp
, j 0,49; z , j 0,49
Кривая потери
устойчивости
Коэффициент
imp
j
несовершенств
a0
a
b
c
d
0,13
0,21
0,34
0,49
0,76
Москва, 22-23 апреля, 2015
28/33

29.

КРИСТАЛЛ 21.1.1.1
Расчетный режим «Сопротивление сечений» (EN1993-1-1)
Проверки устойчивости плоской формы изгиба
Несущая способность, ограниченная потерей общей устойчивости плоской
формы изгиба при действии изгибающего момента – пп. 6.3.2.1, 6.3.2.2:
4 класс: M
N e
y , jkm
jkm z , jkm
M1
1,0
LT , jmkW y ,eff , jmk f y , j
LT , jmk
imp
LT
, j 0, 34
2
LT , j 0,466 0,17 LT , j 0,5 LT
,j
Кривая потери
устойчивости
imp
j
Коэффициент
несовершенств
2, 3 классы:
LT , j
W y ,eff , jmk f y , j
M cr , y , j
M y , jkm M 1
LT , jW y ,el , j f y , j
1,0
1
LT , j
a0
a
b
c
d
0,13
0,21
0,34
0,49
0,76
2
LT , j
LT , j
Москва, 22-23 апреля, 2015
2
LT , j
1,0
W y ,el , j f y , j
M cr , y , j
29/33

30.

КРИСТАЛЛ 21.1.1.1
Расчетный режим «Сопротивление сечений» (EN1993-1-1)
Вычисление критического момента
EI z , j
2
M cr , y , j C1, j
kz , j Lj
I y,j
2
I y, j Iz , j
2
k
L
GI
k
I
2
z,j j
t,j
z,j
w,j
C
z
C
z
C
z
2, j g , j
2, j g , j
3, j j , j
2
k I
EI
w
,
j
z
,
j
z
,
j
C1, j – коэффициент, учитывающий характер эпюры
изгибающего момента;
C 2 , j – коэффициент, учитывающий положение точки
приложения нагрузки по отношению к центру сдвига;
C 3 , j – коэффициент, учитывающий ассиметрию сечения
относительно оси большей жесткости;
k z , j L j – расчетная длина элемента при проверке устойчивости
плоской формы изгиба (расстояние между поперечным
раскреплением элемента из плоскости изгиба);
kw , j L j – расстояние между сечениями элемента,
закрепленными от депланации
Москва, 22-23 апреля, 2015
30/33

31.

КРИСТАЛЛ 21.1.1.1
Расчетный режим «Критический момент» (EN1993-1-1)
Главное окно программы
C2
C1
Москва, 22-23 апреля, 2015
31/33

32.

КРИСТАЛЛ 21.1.1.1
Расчетный режим «Сопротивление сечений» (EN1993-1-1)
Проверки устойчивости при совместном действии
Несущая способность, ограниченная потерей общей устойчивости при
одновременной действии продольной силы и моментов – пп. 6.3.3:
N jkm
N b , Rd , jkm
N jkm
N b , Rd , jkm
k yy
k zy
C m , LT M y , Ed N jkm ez , jkm
M yb , Rd , jkm
C m , LT M y , Ed N jkm ez , jkm
M yb , Rd , jkm
k
k
C mz M z , Ed N jkm e y , jkm
yz
M z , Rd , j
C mz M z , Ed N jkm e y , jkm
zz
M z , Rd , j
N b , Rd , jkm min y , jkm , z , jkm , T , jkm , TF , jkm
4 класс:
M yb , Rd , jkm
1
M1
1
M1
;
;
Aeff , jkm f y , j
M1
LT , jkmW y ,eff , jkm f y , j
Wz ,eff , jkm f y , j
; M z , Rd , jkm
M1
M1
N b , Rd , j min y , j , z , j , T , j , TF , j
2, 3 классы:
M yb , Rd , j
LT , jW y ,el , j f y , j
; M z , Rd , j
M1
Москва, 22-23 апреля, 2015
Ag , j f y , j
M1
Wz ,el , j f y , j
M1
32/33

33. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ

“Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office 21”
Москва, 22-23 апреля 2015 г.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ
Юрченко В. В., к. т. н.
ведущий научный сотрудник SCAD Soft