В практике строительного проектирования металлических конструкций (МК), как правило, используются общепринятые конструктивные решения узлов. Типовыми являются шарнирные или жесткие варианты оголовков и баз колонн в зависимости от схемы сооружения.

Работоспособность узла обеспечивается работоспособностью отдельных элементов конструкции и их соединений (болтовых или сварных). Для проверки конструктивного решения производят серию проверок напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов, определенного по величинам самых невыгодных сочетаний усилий [1].

Эти проверки реализуются в алгоритмах современных программных комплексов, которые применяются для экспертизы и проектирования наиболее распространенных типов узлов. Они позволяют большую часть рутинных вычислений передать компьютеру и автоматически подбирать рациональные решения, соответствующие заданным условиям, конструктивным и нормативным требованиям [2].

Задачей этой статьи является создание конечно-элементной модели узлов МК с целью анализа действительного НДС элементов и сравнение полученных результатов с расчетами по формулам СП. Объектами исследования являлись элементы однопролетной рамы: полка и стенка балки — опорное ребро балки — оголовок колонны — стержень колонны — траверса базы — опорная плита — бетон фундамента (рис. 1).

Рис. 1. Визуализация моделей
Рис. 1. Визуализация моделей

Как правило, упрощение расчетной схемы приводит к изменению нагрузки на элемент. Например, нагрузка от стенки передается на опорное ребро балки по всей высоте, однако в расчетной схеме принимается стойка, нагруженная в верхнем узле [3, п. 7.12].

Траверса прикрепляется к полке колонны двумя швами и работает как консоль (или же неразрезная балка) от отпора бетона с соответствующих грузовых площадей. Опорная плита работает как пластина на упругом основании, воспринимающая давление от ветвей траверсы и ребер. Опыты показали, что давление на фундамент распределяется неравномерно, с пиками в местах передачи нагрузки. Однако для простоты расчета давление под плитой принимается как равномерно распределенное. Плиту рассчитывают как пластину, нагруженную снизу равномерно распределенным давлением фундамента и опертую на элементы сечения стержня и базы колонны (ветви траверсы, диафрагмы, ребра и т. п.) [1].

Выбор альтернативной расчетной схемы позволяет добиться экономии материала и больше соответствует реальной работе элементов конструкции. Одной из задач являлось создание вариантных моделей узлов с использованием богатой библиотеки конечных элементов (КЭ): плоские элементы — пластины, шести- и восьмиузловые КЭ — призмы и параллелепипеды; а также их комбинаций.

Рассматривалась эффективность принимаемых допущений и их соответствие реальной работе элементов.

Детальное моделирование базы производилось в двух вариантах: с использованием объемных шести- и восьмиузловых конечных элементов, а также плоских оболочечных КЭ. Бетонное основание фундамента в первом случае имитировалось с использованием восьмиузловых объемных элементов совместно со связями конечной жесткости, и назначением коэффициентов упругого основания во втором. Рама для исследования оголовка создавалась из оболочечных КЭ.

В целом результаты ручного расчета по СП и экспертизы запроектированного узла с использованием программы КОМЕТА оказались сопоставимы (погрешность в пределах 10%). На рис. 2 представлена диаграмма сравнения по факторам прочности различных элементов и соединений.

Рис. 2. Диаграмма сравнения, столбцы 1-5 - факторы прочности
Рис. 2. Диаграмма сравнения, столбцы 1−5 — факторы прочности

Для участка опорной плиты, опертого на три стороны, принимаемой расчетной схемой является консоль. На рис. 3 показана эпюра моментов в расчетном сечении по результатам расчета модели методом конечных элементов.

Рис. 3. Эпюра Му для участка опорной плиты, опертого на три контура, кН*м/м
Рис. 3. Эпюра Му для участка опорной плиты, опертого на три контура, кН*м/м

Для участка плиты, опертого на четыре стороны, в расчетном сечении распределение моментов похоже на принятую за расчетную балочную схему опирания (рис. 4).

Рис. 4. Эпюра Му для участка опорной плиты, опертого на четыре контура, кН*м/м
Рис. 4. Эпюра Му для участка опорной плиты, опертого на четыре контура, кН*м/м

На рис. 5 представлено распределение реактивного отпора фундамента для плиты на упругом основании. Характерные концентраторы с максимальным значением 9,2 МПа при расчетном сопротивлении бетона фундамента 9,5 МПа показаны синим цветом.

Рис. 5. Распределение опорных реакций фундамента
Рис. 5. Распределение опорных реакций фундамента

Основные выводы:

  1. Созданные расчетные схемы для анализа НДС элементов узлов конструкций позволяют получить близкую к реальной картину работы.
  2. Современные численные методы расчета помогают проверить принятые проектные решения и оценить коэффициент использования прочности материала, а также экономичность и технологичность решения.
  3. Результаты сравнения различных методов анализа могут использоваться в обучении специалистов. Это позволит усвоить фундаментальную связь между нормативными документами, проектирующими программами, различными видами расчетов (проверочные и проектировочные) и их видами (модели различной подробности при разных предпосылках).

Литература

  1. Е.И. Беленя, Н.Н. Стрелецкий, ГС. Веденников и др. Металлические конструкции: Спец. курс: Учеб. пособие для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 1991. — 687 с.
  2. Карпиловский В.С., Криксунов Э.З., Маляренко А. А., Микитаренко М.А., Перельмутер А.В., Перельмутер М.А., Федоровский В.Г., Юрченко В.В. SCAD Office. Реализация СНиП в проектирующих программах. — М.: Издательство СКАД СОФТ, 2007. — 407 с.
  3. СП 16.13330.2011. Стальные конструкции (актуализированная редакция СНиП II-23−81*) / Минрегион России. — М.: ОАО ЦПП, 2011. — 172 с.
Илья Порываев,
Марат Сафиуллин
Уфимский государственный нефтяной технический университет
E-mail: ,