Проектирование стальных балок и колонн
В этой статье описано использование модуля StatiCAD для проектирования стальных балок и стальных колонн. Расчёты выполняются по TBDY 2018 и ÇYTHYE (Турецкие правила проектирования, расчёта и строительства стальных конструкций — подход YDKT, т. е. LRFD): для балок — изгиб (включая потерю устойчивости плоской формы изгиба), сдвиг, комбинированное воздействие и прогиб; для колонн — потеря устойчивости при осевом сжатии и комбинированное воздействие осевой силы и двухосного изгиба. Усилия в сечениях берутся из собственного конечно-элементного расчёта программы в виде огибающих значений вместе с сочетаниями нагрузок, которым они соответствуют. Формулы приведены в статье Теоретические основы проектирования стальных конструкций, а сравнения с ручным расчётом — в статье Верификационные расчёты стальных конструкций.
В каких версиях? Расчёты стальных конструкций входят в версию StatiCAD Ultimate.
Область применения: расчёт несущей способности выполняется для горячекатаных двутавровых и H-образных профилей (IPE, IPN, HEA/HEB/HEM, HD/HL/HP). Профили U, L, T, коробчатые и трубчатые можно назначать; они присутствуют в модели и на 3D-виде. Расчёт холодногнутых профилей (C, Z, Sigma и др.) выполняется в модуле Лёгкие стальные конструкции.
1. Общий порядок работы
- Смоделируйте здание обычным способом (балки — как горизонтальные пояса, колонны — как вертикальные пояса).
- Откройте окно Свойства того элемента, который будет стальным, и кнопкой Выбрать сечение назначьте профиль в форме Выбор заводского сечения (Раздел 2). При назначении профиля вместе с сечением в элемент записывается и стальной материал (S235 и т. д.).
- В том же окне отметьте тип проектирования элемента как «Сталь» (Раздел 3) и нажмите «ОК».
- Запустите расчёт. Проверки стальных элементов выполняются автоматически в конце расчёта.
- В дереве выбора отчётов отметьте группу Отчёты по стальным элементам и получите отчёт (Раздел 6).
Если элементу назначен профиль, но тип проектирования «Сталь» не отмечен, элемент присутствует в модели со стальным сечением (вес, жёсткость, 3D-вид), однако в проверку стальных элементов не попадает.
2. Библиотека заводских профилей и назначение сечения
Форма Выбор заводского сечения открывается кнопкой Выбрать сечение в окнах балки (Свойства пояса) и колонны (Свойства вертикального пояса).
| Поле формы | Назначение |
|---|---|
| Тип производства | Прокат (по умолчанию): горячекатаные профили. Cold Formed: холодногнутые профили (модуль лёгких стальных конструкций). |
| Категория | В режиме проката: Все / I-Wide Flange / Channel / Tee / Angle / Pipe / Tube. |
| Строка поиска | Фильтрует по названию (напр. «IPE 3»). |
| Предпросмотр | Сечение выбранного профиля вычерчивается в реальной геометрии; перечисляются основные размеры и характеристики сечения. |
| Материал... | Выбор марки стали (S235, S275, S355 и т. д.). Если не выбрана, используется марка стали по умолчанию. Материал назначается элементу вместе с сечением. |
| Назначить | Записывает профиль и материал в открытое окно элемента; сечение также добавляется в библиотеку сечений проекта, а изображение сечения создаётся для отчётов. |
| Сечение, заданное пользователем... | Переключает на путь с сечением, заданным пользователем, вместо заводской библиотеки. |
Одна и та же форма открывается и из балки, и из колонны; назначение выполняется тому элементу, из окна которого форма была открыта. Назначенный профиль хранится в библиотеке проекта и переносится вместе с файлом.
3. Выбор типа проектирования
| Элемент | Окно | Вариант |
|---|---|---|
| Балка | Свойства пояса → группа типа проектирования | Сталь (рядом с вариантами Железобетон / Каменная кладка / Дерево) |
| Колонна | Свойства вертикального пояса → группа типа проектирования | Сталь |
После того как вариант отмечен и нажата кнопка «ОК», тип проектирования элемента сохраняется как стальной; в конце расчёта такие элементы попадают в проверку стальных элементов, а в дереве отчётов становится видна группа «Отчёты по стальным элементам».
4. Расчёт стальной балки
| Проверка | Норматив | Пояснение |
|---|---|---|
| Изгиб | ÇYTHYE, Глава 9 | Текучесть, неупругая и упругая потеря устойчивости плоской формы изгиба; пределы Lp и Lr вычисляются и показываются в отчёте. В отчёте указывается определяющее предельное состояние. |
| Сдвиг | Глава 10 | Vn = 0,6·Fy·Aw·Cv |
| Комбинированное воздействие | Глава 11 | Проверка взаимодействия изгиба, осевой силы и сдвига |
| Прогиб | Эксплуатационная пригодность | Проверка f ≤ L/K; в отчёте показывается строкой «Sehim f = ... ≤ L/K = ...» (Прогиб f = ... ≤ L/K = ...). |
Длина бокового раскрепления Lb: если поля бокового раскрепления (Le) в окне свойств элемента оставлены автоматическими, принимается длина балки L (между конечными узлами); если значение введено вручную, используется оно. Если в промежуточных точках балки есть боковое раскрепление (например, примыкающая второстепенная балка или связь), введите в поле Le наибольшую длину без раскрепления.
Коэффициент поправки на момент Cb: Cb (ÇYTHYE, Ур. 9.1) вычисляется отдельно для каждого сочетания нагрузок по эпюре моментов конечно-элементного расчёта. Поскольку Cb меняется от сочетания к сочетанию, определяющим является не сочетание с наибольшим моментом, а сочетание с наибольшим отношением потребности к несущей способности; расчётный момент, название сочетания и Cb в отчёте относятся именно к этому сочетанию.
- Для консольных балок (один конец не связан с колонной, стеной или другой балкой) принимается Cb = 1,0 (ÇYTHYE 9.1(e)).
- Если в поле Le введена длина, меньшая длины балки, принимается Cb = 1,0 (в запас надёжности).
- Конец второстепенной балки, примыкающей к главной балке, считается опорой; Cb вычисляется по эпюре моментов.
Предельный прогиб K: определяется для каждого элемента там же, где выбирается K прогиба деревянных балок (по умолчанию K = 300; в зависимости от выбора 200 / 150 / значение, введённое вручную). Прогиб вычисляется по эксплуатационному моменту (G+Q или G+S без коэффициентов); для консольной балки используется эквивалент сосредоточенной силы на конце.
5. Расчёт стальной колонны
| Проверка | Норматив | Пояснение |
|---|---|---|
| Осевое сжатие | Глава 8 | Изгибная потеря устойчивости по осям x и y и крутильная потеря устойчивости для дважды симметричного сечения; Fcr и φcPn (φc = 0,90) определяются по определяющему напряжению упругой потери устойчивости. Определяющая форма потери устойчивости указывается в отчёте. |
| Гибкость сечения | Таблица 5.1A | Проверяются пределы b/2tf для полки и hw/tw для стенки. Элемент с гибким сечением явно отмечается в отчёте как «narin enkesit» (гибкое сечение) и считается несоответствующим. |
| Гибкость элемента | Рекомендация ÇYTHYE | Если KL/r > 200, в отчёте выводится красное предупреждение «KL/r>200!». |
| Комбинированное воздействие | Глава 11.3 | Осевое сжатие + двухосный изгиб: Ур. 11.3a (Pr/Pc ≥ 0,2) или 11.3b; применённое уравнение указывается в отчёте. |
Расчётная длина KL: по умолчанию принимается длина колонны в пределах этажа (высота этажа и разности верхних/нижних отметок), K принимается равным 1,0. Вводя значения вручную в поля Le окна «Свойства вертикального пояса», можно задать расчётную длину отдельно для каждой оси.
6. Сочетания нагрузок
Расчёт ведётся по подходу YDKT (LRFD) (φb = φc = φv = 0,90). Усилия берутся из огибающей сочетаний YDKT по ÇYTHYE (1,4G; 1,2G + 1,6Q + 0,5S; 1,2G + 1,6S + 1,0Q; при наличии ветра 1,2G + 1,0Q + 0,5S + 1,6W и 0,9G + 1,6W) и сейсмических сочетаний программы (в сейсмических сочетаниях 1,2G, Q не менее 1,0). Эти сочетания не изменяют список сочетаний нагрузок проекта; они используются только при проектировании стальных элементов. Название сочетания, давшего огибающую, показывается в отчёте рядом с усилием.
Строка «Çelik kiriş/kolon tasarımında rüzgâr birleşimleri yok» (В проектировании стальных балок/колонн нет сочетаний с ветром) в предупреждениях расчёта сообщает, что в проекте не определено ветровое загружение. В списке сочетаний по умолчанию (TBDY) ветра нет; чтобы ветер учитывался в расчёте, выберите определённые загружения и сочетания на вкладке Сочетания нагрузок.
7. Отчёты
После расчёта в дереве выбора отчётов появляется группа Отчёты по стальным элементам:
| Отчёт | Содержание |
|---|---|
| Расчёты стальных балок | Этаж за этажом, по одному блоку на балку: название сечения; материал (Fy); характеристики сечения (A, Ix, Wel, Wpl, ry); Lb, Cb, Lp, Lr; расчётный момент (с сочетанием, давшим огибающую), Mn, коэффициент использования и определяющее предельное состояние; расчётная поперечная сила, Vn и коэффициент использования; комбинированное воздействие; строка прогиба; Результат: Yeterli / Yetersiz (Достаточно / Недостаточно) |
| Расчёты стальных колонн | Характеристики сечения (A, Ix, Iy, rx, ry); KLx, KLy, наибольшее KL/r (при необходимости — предупреждение); осевая сила (с сочетанием), φcPn, коэффициент использования и определяющая форма потери устойчивости; моменты по двум осям и их несущая способность; уравнение взаимодействия и его значение; Результат |
Выполненные проверки отмечаются зелёным UYGUN (соответствует), невыполненные — красным X. Отчёты формируются на турецком языке, если язык программы турецкий, и на английском — в остальных языках.
8. 3D-вид
Балки и колонны с назначенным профилем отображаются в 3D-окне в реальной геометрии сечения (стенка–полка двутавра и H-профиля, коробчатое сечение, труба, контур холодногнутого профиля). Элементы без назначенного профиля отображаются как прямоугольные призмы. Изображения сечений добавляются и в таблицы сечений в отчётах.
9. Важные замечания
- Для колонн с гибким сечением метод эффективной площади в этой версии не применяется; программа не выдаёт несущую способность и явно отмечает элемент. Результат никогда не показывается молча как «безопасный».
- В расчёте балки Cb вычисляется по эпюре моментов каждого сочетания; для консоли и для короткой Lb, введённой вручную в поле Le, принимается 1,0 (см. раздел 4).
- В расчётной длине колонны принимается K = 1,0; для иных условий опирания введите значение K·L вручную в поля Le.
- Модуль упругости стального материала считывается из библиотеки материалов; не имеет значения, задан ли он в кг/см² или в МПа (единица распознаётся автоматически).
- Сейсмические требования Главы 9 TBDY к пластичности сечений, отношение несущих способностей колонны и балки и диагональные элементы не входят в область применения этой версии.
10. Часто задаваемые вопросы
В дереве отчётов не отображается «Отчёты по стальным элементам». Группа видна после расчёта, если в проекте есть хотя бы одна балка или колонна с отмеченным типом проектирования «Сталь». Убедитесь, что в окне свойств элемента отмечен вариант «Сталь» и что расчёт выполнен заново.
В отчёте написано «Profil katalogda bulunamadı». («Профиль не найден в каталоге».) Название сечения, назначенного элементу, не найдено в библиотеке заводских профилей дословно (например, название сечения было изменено вручную). Назначьте сечение заново через форму «Выбор заводского сечения».
Несущая способность получилась значительно ниже или выше ожидаемой. Сначала сравните строку характеристик сечения в отчёте (A, Ix, Wpl) с таблицей профиля; затем посмотрите значения Lb, Cb и KL — боковое раскрепление или расчётная длина могли быть введены вручную. Согласованность предельного состояния балки (текучесть / неупругая / упругая потеря устойчивости плоской формы изгиба) с Lp и Lr видна в отчёте.
Стальная балка или колонна на 3D-виде выглядит прямоугольной. Элементу не назначен профиль. Назначьте профиль по шагам Раздела 2.
Может ли один и тот же элемент проверяться и как стальной, и как железобетонный? Нет; тип проектирования выбирается один. Элемент попадает в проверку того модуля, тип которого отмечен.