32. Моделирование работы узлов металлических конструкций

При расчете элементов строительных конструкций инженеру необходимо уделять особое внимание также соединению этих элементов между собой – узлам. Расчет узлов металлических конструкций, когда они типовые, ни у кого не вызывает критических сложностей – алгоритм решения описывается в нормативных документах. Столкнувшись с нетиповым узлом, у инженера появляются сложности. Для решения этой задачи существуют программы для расчета узлов металлических конструкций, одной из которых является ПК ЛИРА 10.4.

Рис. 1 Узел конструктивной схемы, Хан-Шатыр, Астана

Решить задачу можно с помощью моделирования всех элементов узла с помощью пластинчатых конечных элементов. Процесс работы здесь во многом трудозатратнее рядовых задач конечноэлментного моделирования. Помимо адекватной модели необходимо и правильно рассчитать нагрузку на строительную конструкцию и приложить ее, поскольку задачу придется решать локально, т.к. здание из пластин собрать будет практически нереально (или найти способ совместить стержневую модель с узлом из пластин). В общем, вопросов достаточно, однако эту заметку хочется посвятить анализу результатов.

Например, решим задачу расчета узла металлических конструкций:

Рис. 2 Расчетная модель узла, ПК ЛИРА 10.4

Главным инструментом по анализу результатов станут напряжения, которые мы будем сравнивать с пределом текучести стали. Разберемся, какие именно смотреть напряжения (их в ПК ЛИРА 10.4 не мало: главные, касательные, в слоях и тд).  и  – это главные нормальные напряжения, одно из которых максимальное, другое минимальное.

Оценку несущей способности по критерию прочности по нормальным напряжениям можно считать по эквивалентным напряжениям, об этом свидетельствует СП «Стальные конструкции» в формулах (44) и (148), причём за основу лучше брать формулу (148), где нет понижающего коэффициента 0,87. Результат, посчитанный по этой формуле, совпадает со значением эквивалентного напряжения в ПК ЛИРА 10.4, что подтверждает сходство этих формул с энергетической теорией прочности Губера-Хенки-Мизеса.

Скачать демо-версию ПК ЛИРА

Эквивалентное напряжение может быть меньше максимального. Так, при  эквивалентное напряжение минимально и равно .

Рис. 3 Зависимость эквивалентных напряжений от максимальных

            При моделировании работы узла получаем следующий результат:

Рис. 4 Эквивалентные напряжения. ПК ЛИРА 10.4

  Полученные напряжения во всех трех слоях (поочередно) сравниваю с пределом текучести стали (значение которой можно найти в редакторе материалов). Если поделить полученные напряжения на предел текучести стали, можно получить коэффициент использования, похожий на коэффициент использования стальных стержней, получаемый при расчете конструирования.

Таким образом, при проведении поверочных расчетов узлов металлических конструкций необходимо также оценивать работу узлов, и, если не удается рассчитать его по нормам или типовым сериям, его придется моделировать оболочечными или объемными конечными элементами и оценивать уже по напряжениям и деформациям.

Скачать пример расчета узла металлической конструкции