Материал: Расчет конечно-элементных моделей строительных конструкций зданий и сооружений. Пинаев С.А., Каштанов С.В

136

Расчет конечно-элементных моделей строительных конструкций зданий и сооружений

Методические указания

к выполнению лабораторных работ для студентов бакалавриата

специальности 08.03.01 – направления "Строительство"

профиля "Промышленное и гражданское строительство"

всех форм обучения

В оронеж 2015

М инистерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Кафедра строительных конструкций, оснований и фундаментов

имени проф. Борисова Ю.М.

Расчет конечно-элементных моделей строительных конструкций зданий и сооружений

Методические указания

к выполнению лабораторных работ для студентов бакалавриата

специальности 08.03.01 – направления "Строительство"

профиля "Промышленное и гражданское строительство"

всех форм обучения

В оронеж 2015

УДК 624.074

ББК 38.5

С оставители С.А. Пинаев, С.В. Каштанов

Расчет конечно-элементных моделей строительных конструкций зданий и сооружений: метод. указания к выполнению лаб. работ для студ. бакалавриата, обучающихся по специальности 08.03.01 всех форм обучения / Воронежский ГАСУ; сост.: С.А. Пинаев, С.В. Каштанов – Воронеж, 2015. – 32 с.

Дана последовательность выполнения лабораторных работ по разделам курса «Расчет строительных конструкций большепролетных и высотных зданий и сооружений»: цель работы, порядок проведения работы, описание вариантов заданий и способы обработки результатов. Приведены справочные данные из строительных нормативов.

Предназначены для студентов бакалавриата, обучающихся по специальности 08.03.01 – направления "Строительство" профиля "Промышленное и гражданское строительство" всех форм обучения.

Ил. 26. Библиогр.: 3 назв.

УДК 624.074

ББК 38.5

Используется по решению учебно-методического совета

Воронежского ГАСУ

Р ецензент – А.А. Свентиков, д.т.н., проф. кафедры металлических конструкций и  сварки в строительстве Воронежского ГАСУ

Введение

Методическими указаниями предусмотрено выполнение лабораторных работ создание и расчет конечно-элементной модели строительной конструкции, расчет и конструирование конечно-элементной модели плоской рамы, расчет конечно-элементной модели в виде плиты. Предлагается выполнить три лабораторные работы.

В первой работе необходимо составить расчетную схему элемента (балка, колонна), задать жесткостные характеристики элементов, задать условия закрепления и нагрузки, рассчитать заданную расчетную схему и проанализировать результаты расчета. Во второй требуется составить расчетную схему плоской рамы, задать несколько загружений, заполнить таблицу расчетных сочетаний усилий, по результатам расчетов выполнить конструирование элементов рамы. В третьей работе составляется расчетная схема плитного элемента оболочки, задается его жесткость и нагрузки, в результате расчетов осуществляется подбор арматуры плиты в виде мозаики отображения площади нижней и верхней арматуры.

Краткие теоретические сведения

На современном этапе строительства в условиях плотной городской застройки города будут расти вверх - такова мировая тенденция. При этом проектирование и возведение высотных зданий и большепролетных сооружений является перспективным развитием строительства, принципиально отличающимся от возведения обычных зданий и сооружений, требующим применения новых подходов в строительстве.

В связи с этим несомненную актуальность имеет необходимость проектировать и возводить здания и сооружения, имеющие большие пролеты и высоту, например, театры, концертные и спортивные залы, стадионы, офисные центры, изучают технологию подземного строительства, возведения фундаментов в различных условиях, например подземные парковки, торговые центры, станции метро, убежища.

При рабочем проектировании строительных конструкций большепролетных и высотных зданий и сооружений реко­мендуется пользоваться расчетами с помо­щью ЭВМ, основанными на методе конеч­ных элементов, позволяющими учесть кон­структивные особенности оболочек (наличие ребер, отверстий, переломов поверхности), фактическое действие нагрузок, а также действительную жесткость элементов строительных конструкций.

Современным комплексом, позволяющем решать подобные задачи при изучении курса «Расчет строительных конструкций большепролетных и высотных зданий и сооружений» является ЛИРА-САПР 2014.

Программный комплекс ЛИРА (ПК ЛИРА-САПР) – это многофункциональный программный комплекс для расчета, исследования и проектирования конструкций различного назначения. ПК ЛИРА-САПР с успехом применяется в расчетах объектов строительства, машиностроения, мостостроения, атомной энергетики, нефтедобывающей промышленности и во многих других сферах, где актуальны методы строительной механики.

Программные комплексы семейства ЛИРА-САПР имеют более чем 40-летнюю историю создания, развития и применения в научных исследованиях и практике проектирования конструкций [1]. Программные комплексы семейства ЛИРА непрерывно совершенствуются и приспосабливаются к новым операционным системам и графическим средам. Новейшим представителем семейства ЛИРА является ПК ЛИРА-САПР.

Кроме общего расчета модели объекта на все возможные виды статических нагрузок, температурных, деформационных и динамических воздействий (ветер с учетом пульсации, сейсмические воздействия и т.п.) ПК ЛИРА-САПР автоматизирует ряд процессов проектирования: определение расчетных сочетаний нагрузок и усилий, назначение конструктивных элементов, подбор и проверка сечений стальных и железобетонных конструкций с формированием эскизов рабочих чертежей колонн и балок.

ПК ЛИРА-САПР позволяет исследовать общую устойчивость рассчитываемой модели, проверить прочность сечений элементов по различным теориям разрушений.

ПК ЛИРА-САПР предоставляет возможность производить расчеты объектов с учетом физической и геометрической нелинейностей, моделировать процесс возведения сооружения с учетом монтажа и демонтажа элементов.

ПК ЛИРА-САПР состоит из нескольких взаимосвязанных информационных систем.

Система ЛИР‑ВИЗОР – это единая графическая среда, которая располагает обширным набором возможностей и функций:

– для формирования адекватных конечно-элементных и суперэлементных моделей рассчитываемых объектов;

– для подробного визуального анализа и корректировки созданных моделей;

– для задания физико-механических свойств материалов, связей, разнообразных нагрузок, характеристик различных динамических воздействий, а также взаимосвязей между загружениями при определении их наиболее опасных сочетаний.

Возможности, предоставляемые по результатам расчета при отображении напряженно-деформированного состояния объекта, позволяют произвести детальный анализ полученных данных

– по изополям перемещений и напряжений,

– по эпюрам усилий и прогибов,

– по мозаикам разрушения элементов,

– по главным и эквивалентным напряжениям и по многим другим параметрам.

ЛИР‑ВИЗОР предоставляет исчерпывающую информацию по всему объекту и по его элементам.

ЛИР‑ВИЗОР позволяет вести общение с комплексом на русском и английском языках, причем замена языка может осуществляться на любой стадии работы с комплексом. ЛИР‑ВИЗОР дает возможность использовать любую действующую систему единиц измерения как при создании модели, так и при анализе результатов расчета.

Система СЕЧЕНИЕ позволяет в специализированной графической среде сформировать сечения произвольной конфигурации, вычислить их осевые, изгибные, крутильные и сдвиговые характеристики. Кроме того, предоставляется возможность вычисления секториальных характеристик сечений, координат центров изгиба и кручения, моментов сопротивления, а также определения формы ядра сечения. При наличии усилий в заданном сечении производится отображение картины распределения текущих, главных и эквивалентных напряжений, соответствующих различным теориям прочности.

РАСЧЕТНЫЙ ПРОЦЕССОР реализует современные усовершенствованные методы решения систем уравнений, обладающие высоким быстродействием и позволяющие решать системы с очень большим числом неизвестных.

В расчетном процессоре содержится обширная БИБЛИОТЕКА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, которая позволяет создавать адекватные расчетные модели практически без ограничений на реальные свойства рассчитываемых объектов. При этом возможны задание линейных и нелинейных законов деформирования материалов, учет геометрической нелинейности с нахождением формы изначально изменяемых систем, а также учет конструктивной нелинейности. Реализованы законы деформирования различных классов железобетона. При расчетах нелинейных задач производится автоматический выбор шага нагружения с учетом его истории. Возможности процессора позволяют смоделировать поведение сооружения в процессе возведения при многократном изменении расчетной схемы.

Система УСТОЙЧИВОСТЬ дает возможность произвести проверку общей устойчивости рассчитываемого сооружения с определением коэффициента запаса и формы потери устойчивости.

Система ЛИТЕРА реализует вычисление главных и эквивалентных напряжений по различным теориям прочности.

Система ФРАГМЕНТ позволяет определить силы воздействия одного фрагмента рассчитываемого сооружения на другой как нагрузку. В частности, могут быть определены нагрузки, передаваемые наземной частью расчетной схемы на фундаменты.

Система МОСТ предназначена для расчета на подвижные нагрузки и построения поверхностей влияния.

Система МОНТАЖ-ПЛЮС - для расчета сооружений при их возведении с учетом сезонных изменений физико-механических характеристик материала (железобетона), переопирания временных опор, изменения климатических условий и т.п.

Система ДИНАМИКА ПЛЮС - модуль прямого интегрирования уравнений движения по времени, позволяющий производить компьютерное моделирование поведения конструкции под динамическими нагрузками, в том числе с учетом нелинейности;

Конструирующая система ЛИР‑АРМ реализует подбор площадей сечения арматуры колонн, балок, плит и оболочек по первому и второму предельным состояниям в соответствии с действующими в мире нормативами. Существует возможность задания произвольных характеристик бетона и арматуры, что имеет большое значение при расчетах, связанных с реконструкцией сооружений. Система позволяет объединять несколько однотипных элементов в конструктивный элемент, что позволяет производить увязку арматуры по длине всего конструктивного элемента. Система может функционировать в локальном режиме, осуществляя как подбор арматуры, так и проверку заданного армирования для одного элемента. По результатам расчета формируются чертежи балок и колонн, а также создаются dxf‑файлы чертежей.

Конструирующая система ЛИР‑СТК работает в двух режимах – подбора сечений элементов стальных конструкций, таких как фермы, колонны и балки, и проверки заданных сечений в соответствии с действующими в мире нормативами. Допускается объединение нескольких однотипных элементов в конструктивный элемент. Система может функционировать в локальном режиме, позволяя проверить несколько вариантов при конструировании требуемого элемента.

Система СОРТАМЕНТ, которая информационно связана с ЛИР‑СТК, позволяет производить редактирование используемой сортаментной базы прокатных и сварных профилей.

Система ДОКУМЕНТАТОР предназначена для формирования отчетов по результатам работы с комплексом. При этом вся информация может быть представлена как в табличном, так и в графическом виде. Табличный и графический разделы необходимой для отчета информации могут быть размещены совместно на специально организуемых для этой цели листах и снабжены комментариями и надписями. Кроме того, табличная информация может быть передана в Microsoft Excel, а графическая – в Microsoft Word.

ПК ЛИРА-САПР поддерживает информационную связь с другими широко распространенными CAD-системами, такими как AutoCAD, ArchiCAD, HyperSteel, Allplan, ФОК-ПК и др.

ПК ЛИРА-САПР располагает широкой системой контекстной справки, содержащей полную информацию обо всех компонентах комплекса, правилах и порядке работы с ними.