Моделирование сборных конструкций

StatiCAD предоставляет средства моделирования, расчёта и проектирования соединений для сборных (заводского изготовления) железобетонных промышленных зданий: стержни переменного сечения (nonprismatic) и параметрические сечения precast, назначение шарнирных соединений, эквивалентные связи диска покрытия (TBDY 2018, Приложение 8B), массы фасадных панелей и кранов, нагрузки от мостового крана, различные R и D в верхней и нижней частях здания (TBDY 4.3.6), проектирование соединений по Разделу 8 TBDY, расчёт коротких консолей колонн (TS 500, п. 8.4), сейсмическая нагрузка на фасадные панели, сдвиг фундамента и армирование полигональных балок и балок переменного сечения.

Эти возможности разработаны и сопоставлены на примере здания из книги Турецкой ассоциации сборного железобетона «Анализ и проектирование типового промышленного здания из сборного железобетона по TBDY-2018» (40×75 м, два пролёта, с промежуточным этажом, мостовой кран 200 кН) (см. Верификация расчётов сборных конструкций). Пошаговое решение здания из книги со скриншотами см. в статье Пример расчёта: сборное промышленное здание.

к сведению

В каких редакциях? Средства для сборных конструкций (тип здания «Железобетонное сборное», команды сборных конструкций в меню «Макросы», шаблоны сечений Precast, окно проектирования соединений, вкладка «Консоль» окна свойств колонны, опция относительного смещения по колонне и страница соединений в отчёте) входят в редакцию StatiCAD Ultimate. Данные по сборным конструкциям проекта, подготовленного в Ultimate (включая определения коротких консолей), сохраняются в файле; при открытии проекта в другой редакции анализ выполняется с теми же данными. Определение сечения переменной высоты (Nonprismatic) доступно во всех редакциях.

1. Общий порядок работы

1. В Общих настройках проекта выберите в качестве типа здания Железобетонное сборное (использует тот же тип решения, что и «Железобетонное здание», и дополнительно включает смещение этажа по колоннам при полужёстком диске) или «Железобетонное здание»; укажите материал и параметры землетрясения. Для зданий с промежуточным этажом в поля R и D введите коэффициенты верхней части.
2. Определите сечения: колонны прямоугольные; для наклонных балок покрытия используйте сечение переменной высоты или шаблоны precast (Разделы 2 и 3).
3. Начертите колонны и балки. Выделите балки, соединяемые шарнирно с помощью пальцев, такие как балки покрытия, прогоны и желобные балки, и выполните команду Макросы → Сделать концы выбранных балок шарнирными (M2+M3) (Раздел 4).
4. Определите диск покрытия: жёсткий диск (по умолчанию) или эквивалентные связи по Приложению 8B (Раздел 5).
5. Введите массы фасадных панелей как дополнительные сейсмические массы. Нагрузки от мостового крана запишите на колонны отдельными загружениями с помощью окна крана; массу моста крана также записывает это окно. Для нагрузок от крана в Общих настройках проекта → Сочетания нагрузок должен быть выбран параметр Использовать сочетания нагрузок для железобетона и каменной кладки. Для зданий с различными несущими системами в верхней и нижней частях задайте различные R–D (см. Нагрузки от мостового крана, дополнительные сейсмические массы и различные R–D).
6. Проверьте параметры анализа и запустите анализ. Армирование полигональных балок и балок переменного сечения рассчитывается в ходе анализа автоматически.
7. Спроектируйте соединения в окне Макросы → Проектирование соединений сборных конструкций (TBDY, Раздел 8)... и добавьте их в отчёт (см. Проектирование соединений сборных конструкций).
8. Задайте колоннам короткие консоли на вкладке Консоль окна свойств колонны; после анализа усилия автоматически берутся от балок, опирающихся на консоль, и из узла консоли (включая мостовой кран), а результаты попадают на страницу соединений в отчёте в виде строк KONSOL (см. Проектирование коротких консолей колонн).

примечание

Все команды для сборных конструкций находятся в конце главного меню Макросы. Окна связей, крана и соединений не являются модальными: пока окно открыто, в модели можно продолжать выбирать элементы.

2. Параметрические шаблоны сечений precast

В списке типов шаблонов окна Свойства сечения стержневого элемента имеются следующие шаблоны. При выборе шаблона таблица Параметры сечения показывает размеры (см) и пояснения; в окне предварительного просмотра сечение сразу вычерчивается с размерными метками.

Шаблон	Применение
Precast I	Сборная балка I-образного сечения или с каплевидной полкой (bulb tee); ширины полок, высоты, фаска и толщины стенки
Precast T	Балка перекрытия с одной верхней полкой и фасками (сборная часть композитной балки с монолитным верхом)
Precast U	Сборная балка U-образного сечения или желоб
Precast Box, Box/Tube	Коробчатые сечения: наружные размеры, толщины стенок и плит
Trapezoidal	Трапециевидное сечение: ширина поверху и понизу, высота

Сечение хранится в программе как полигональное; площадь, момент инерции и центр тяжести автоматически вычисляются по полигону. Параметры также сохраняются, поэтому при повторном открытии сечение возвращается в параметрическом режиме. Схему армирования можно задать в редакторе полигона; если оставить её пустой, она автоматически формируется при проектировании балки. При передаче в SAP2000 шаблоны передаются как собственные определения сборных сечений SAP2000.

3. Балки переменного сечения (nonprismatic)

Элементы, высота которых меняется по длине, например стропильные балки покрытия, моделируются одним стержнем; жёсткость вычисляется по фактическому изменению сечения. Определение выполняется в окне Определение переменного сечения, которое открывается после выбора в окне Свойства сечения стержневого элемента типа шаблона Nonprismatic:

Столбец	Описание
Start Section / End Section	Сечение в начале и в конце участка (из ранее определённых призматических сечений; например, прямоугольник 40×26 на конце и 40×140 в середине или два различных Precast I)
Length / Length Type	Absolute: длина участка в см. Variable: относительный вес; после вычитания из длины элемента участков Absolute оставшаяся длина распределяется между участками Variable в этой пропорции.
EI33 / EI22 variation	Характер изменения изгибной жёсткости: Linear (EI линейно), Parabolic (√EI линейно; если меняется высота двутаврового сечения с преобладающей полкой), Cubic (∛EI линейно; прямоугольник с постоянной шириной и линейно меняющейся высотой)

Двускатная балка покрытия определяется двумя участками: концевое сечение → среднее сечение → концевое сечение. Площадь, постоянная кручения и площади сдвига линейно изменяются в пределах участка. Достаточно выбрать имя сечения в качестве сечения балки; анализ, передача в SAP2000 (со всеми участками) и проектирование армирования автоматически используют переменное сечение.

к сведению

Как выполняется расчёт? Матрица жёсткости элемента строится интегрированием податливости по свойствам сечения, изменяющимся по длине (включая деформации сдвига); при постоянном сечении эта матрица совпадает с матрицей призматического элемента с численной точностью. Силы защемления от распределённой нагрузки также вычисляются с учётом переменного сечения; более толстый конец получает больший момент защемления. Масса и собственный вес распределяются по длине по средней площади (общий объём получается верным).

примечание

Переменное сечение учитывается только в балках; назначение его колоннам не поддерживается.

4. Шарнирные (с пальцами) соединения

В сборных зданиях балки покрытия, прогоны и желоба обычно соединяются с колоннами шарнирно с помощью пальцев. Чтобы назначить это за один шаг, выделите нужные балки (на всех этажах) и выполните команду Макросы → Сделать концы выбранных балок шарнирными (M2+M3). Команда освобождает на обоих концах каждой выбранной балки два изгибающих момента (M2, M3), обнуляет коэффициенты пружин шарнира и делает шарнир действующим при всех загружениях; в конце сообщается, сколько балок обработано. Шарнир для одного конца можно также ввести в таблице шарниров в окне свойств балки.

Даже если у балок задано смещение оси (балка находится ниже линии узлов), шарнир применяется со стороны узла; балка с пальцами работает как настоящая простая опора. Составное осевое усилие, возникающее от совместного действия жёсткого диска и смещения оси, исключается из оценки осевой нагрузки балки.

5. Диск покрытия: жёсткий диск или эквивалентные связи по Приложению 8B

По умолчанию принимается жёсткий диск для каждого этажа (включая покрытие) (Общие настройки проекта → Усилия в элементах → Полностью жёсткий диск). В покрытиях с прогонами и крестовыми панелями, где к диску подключены тысячи узлов, жёсткий диск решается точным преобразованием «главный–подчинённый»; настройки пользователя не требуются.

Для покрытий из профилированного настила или сэндвич-панелей Приложение 8B TBDY допускает представлять сдвиговую жёсткость плоскости покрытия парами эквивалентных связей с шарнирами на обоих концах. Для этого используйте окно Макросы → Эквивалентные связи диска покрытия сборных конструкций (TBDY, Приложение 8B):

Ввод	Описание	По умолчанию
Диаметр самонарезающего винта D (мм)	Диаметр винта, крепящего настил к прогону	4
Толщина верхнего листа t1 (мм)	Толщина листа в профилированном настиле; верхний лист в сэндвич-панели	0,5
Нижний лист t2 (мм)	Нижний лист в сэндвич-панели; 0 в профилированном настиле	0,4
Винтов на единицу длины n (шт./м)	Число винтов на метр вдоль прогона	5,5
Предел текучести листа fy (МПа)		255
Коэффициент безопасности γ		0,67
Число делений	На сколько ячеек делится промежуток между двумя балками вдоль длины балки	4
Материал связи E (МПа)	Модуль упругости эквивалентного стержня	33227

1. Рассчитать: выводятся эквивалентная осевая жёсткость (EA)e, наибольшее усилие, воспринимаемое одной связью, сравнение по Формуле 8B.1 TBDY, сечение эквивалентного стержня и условия применимости Приложения 8B (шаг прогонов ≤ 2,0 м, угол связи ≈ 45°).
2. Выберите в модели две параллельные балки, между которыми будут установлены связи (например, две соседние балки покрытия), и нажмите кнопку Создать связи между 2 выбранными балками. Промежуток между двумя балками делится на выбранное число ячеек, и в каждую ячейку помещается X-образная пара. Связи — виртуальные элементы с шарнирами на обоих концах, без массы и без нагрузки; в железобетонное проектирование и ведомость объёмов они не входят.
3. Созданные связи и исходные балки остаются выделенными. Выполните команду Макросы → Разделить пересекающиеся выбранные балки на всех этажах, чтобы концы связей соединились с прогонами и балками в общем узле.

примечание

При работе с покрытием со связями по Приложению 8B необходимо выбрать Общие настройки проекта → Усилия в элементах → Полужёсткий диск, а для смещения этажа включить опцию по колоннам на той же вкладке (Раздел 6). В качестве проектного ориентира рекомендуется также выполнить решение с жёстким диском.

6. Параметры анализа

Параметр	Где находится	Описание
Полностью жёсткий / Полужёсткий диск	Общие настройки проекта → Усилия в элементах	Для покрытия со связями по Приложению 8B выбирается полужёсткий; в остальных случаях рекомендуется жёсткий диск.
Смещение этажа при полужёстком диске по колоннам (верхний–нижний узел)	Общие настройки проекта → Усилия в элементах (внизу вкладки)	При полужёстком диске относительное смещение этажа вычисляется не как разность наибольшего и наименьшего перемещений узлов этажа, а как разность верхнего и нижнего узлов одной и той же колонны; узлы прогонов и связей в гибкой зоне покрытия и колонны фронтонов не искажают результат. При выборе типа здания «Железобетонное сборное» отмечается автоматически; сохраняется вместе с проектом.
Назначение жёсткого диска в модальном анализе	Общие настройки проекта → Сейсмические силы	При варианте «Выполнять» применяется приведённая модель с тремя степенями свободы на этаж (UX, UY, RZ); узлы на отметке этажа (±2 см) привязываются к этажу.
Учитывать плиты перекрытия в модальном анализе с жёстким диском	Общие настройки проекта → Сейсмические силы	Вклад оболочек плит в жёсткость присутствует в статическом решении, но в модальном анализе с жёстким диском по умолчанию отсутствует; поэтому модальные периоды получаются несколько больше, а статические перемещения несколько меньше (2–5 %). Чтобы уравнять оба решения, параметр можно включить в небольших моделях; в больших покрытиях с прогонами и крестовыми панелями он не рекомендуется из-за потребности в памяти.
Не связывать промежуточные узлы балок с жёстким диском	Общие настройки проекта → Сейсмические силы	Если оси балок смоделированы ниже линии узлов, промежуточные узлы разбиения балки связаны с жёстким диском, из-за чего балки становятся составными по жёсткости. При включении параметра вне диска остаются только узлы разбиения; узлы колонн, стен жёсткости и пересечений балок остаются связанными. По умолчанию отключён и сохраняется вместе с проектом.

7. Границы применимости

• Переменное сечение учитывается только в балках; расчёт предварительно напряжённых сечений не входит в область применения.
• Проверка стаканного фундамента и проверки монтажной стадии (разделение G1/G2) в этой редакции отсутствуют. Границы применимости для коротких консолей см. в статье Проектирование коротких консолей колонн.
• Мостовой кран моделируется при одном положении (все колонны рельсов нагружены одновременно); перебора положений крана и нескольких кранов нет. В контроль прогибов балок и внутренние усилия оболочек плит загружения крана не входят.
• Сдвиговую жёсткость полужёсткого покрытия со связями по Приложению 8B следует оценивать совместно с решением с жёстким диском.
• В детали соединения полки со стенкой шаблона Precast U имеется небольшая разница площади по сравнению с SAP2000 (−4 % в примере сечения).

8. Часто встречающиеся ситуации

Признак	Решение
В меню «Макросы» нет команд для сборных конструкций; в списке сечений не видны шаблоны Precast.	Средства для сборных конструкций доступны в редакции Ultimate.
Созданные связи не соединяются с прогонами.	Выполните команду Макросы → Разделить пересекающиеся выбранные балки на всех этажах, пока выбраны связи и балки.
При полужёстком покрытии относительное смещение этажа слишком велико.	Гибкие узлы покрытия и колонны фронтонов увеличивают значение в методе «наибольшее − наименьшее». Включите опцию смещения по колоннам в Общие настройки проекта → Усилия в элементах (Раздел 6); в качестве проектного ориентира выполните также решение с жёстким диском.
Основной период короче ожидаемого.	Это следствие допущения о жёстком диске покрытия; объяснение приведено в статье о верификации.