Проєктування сталевих балок і колон
У цій статті описано користування модулем проєктування сталевих балок і сталевих колон StatiCAD. Розрахунки виконуються за TBDY 2018 та ÇYTHYE (турецькі норми проєктування, розрахунку та будівництва сталевих конструкцій — підхід YDKT/LRFD): для балок — згин (включно з крутильно-боковою втратою стійкості), зсув, комбінований вплив і прогин; для колон — втрата стійкості при осьовому стиску та комбінований вплив осьової сили й двовісного згину. Зусилля в перерізах беруться з власного скінченно-елементного розв’язку програми разом з обвідними значеннями та комбінаціями навантажень, яким вони відповідають. Залежності дивіться в статті Теоретичні основи проєктування сталевих конструкцій, порівняння з ручним розрахунком — у статті Верифікаційні дослідження сталевих конструкцій.
У яких версіях? Розрахунки сталевих конструкцій доступні у версії StatiCAD Ultimate.
Сфера застосування: розрахунок несучої здатності виконується для гарячекатаних двотаврових/H-профілів (IPE, IPN, HEA/HEB/HEM, HD/HL/HP). Профілі U, L, T, коробчасті та трубчасті можна призначати; вони присутні в моделі та в тривимірному вигляді. Розрахунок холодноформованих профілів (C, Z, Sigma тощо) виконується в модулі Легкі сталеві конструкції.
1. Загальний порядок роботи
- Змоделюйте будівлю звичайним способом (балки — як горизонтальні армопояси, колони — як вертикальні армопояси).
- Відкрийте вікно Властивості елемента, який буде сталевим, і за допомогою кнопки Вибрати переріз призначте профіль у формі Вибір заводського перерізу (розділ 2). Разом із профілем до елемента записується і сталевий матеріал (S235 тощо).
- У цьому ж вікні позначте тип проєктування елемента як «Сталь» (розділ 3) і натисніть «ОК».
- Запустіть аналіз. Перевірки сталевого проєктування виконуються автоматично наприкінці аналізу.
- У дереві вибору звіту позначте групу Звіти за сталевими елементами і сформуйте звіт (розділ 6).
Якщо елементу призначено профіль, але тип проєктування «Сталь» не позначено, елемент потрапляє в модель зі сталевим перерізом (вага, жорсткість, тривимірний вигляд), проте до перевірки сталевого проєктування не входить.
2. Бібліотека заводських профілів і призначення перерізу
Форма Вибір заводського перерізу відкривається кнопкою Вибрати переріз у вікнах балки (Властивості балки) та колони (Властивості колони).
| Поле форми | Призначення |
|---|---|
| Тип виробництва | Гарячекатані (за замовчуванням): гарячекатані профілі. Cold Formed: холодноформовані профілі (модуль легких сталевих конструкцій). |
| Категорія | У режимі гарячекатаних: Усі / I-Wide Flange / Channel / Tee / Angle / Pipe / Tube. |
| Поле пошуку | Фільтрує за назвою (напр., «IPE 3»). |
| Попередній перегляд | Переріз вибраного профілю креслиться з реальною геометрією; наводяться основні розміри та характеристики перерізу. |
| Матеріал... | Вибір класу сталі (S235, S275, S355 тощо). Якщо не вибрано, використовується клас сталі за замовчуванням. Матеріал призначається елементу разом із перерізом. |
| Призначити | Записує профіль і матеріал у відкрите вікно елемента; переріз також додається до бібліотеки перерізів проєкту, а зображення перерізу створюється для звітів. |
| Переріз, визначений користувачем... | Переходить до шляху з перерізом, визначеним користувачем, замість заводської бібліотеки. |
Ту саму форму можна відкрити і з балки, і з колони; призначення виконується тому елементу, з вікна якого її відкрито. Призначений профіль зберігається в бібліотеці проєкту й переноситься разом із файлом.
3. Вибір типу проєктування
| Елемент | Вікно | Варіант |
|---|---|---|
| Балка | Властивості балки → група типу проєктування | Сталь (поряд із варіантами Залізобетон / Мурування / Деревина) |
| Колона | Властивості колони → група типу проєктування | Сталь |
Після позначення варіанта й натискання «ОК» тип проєктування елемента зберігається як сталевий; наприкінці аналізу ці елементи потрапляють до перевірки сталевого проєктування, а в дереві звітів з’являється група Звіти за сталевими елементами.
4. Розрахунок сталевої балки
| Перевірка | Норма | Пояснення |
|---|---|---|
| Згин | ÇYTHYE, Розділ 9 | Текучість, непружна та пружна крутильно-бокова втрата стійкості; межі Lp і Lr обчислюються та наводяться у звіті. Визначальний граничний стан вказується у звіті. |
| Зсув | Розділ 10 | Vn = 0,6·Fy·Aw·Cv |
| Комбінований вплив | Розділ 11 | Перевірка взаємодії згину, осьової сили та зсуву |
| Прогин | Експлуатаційна придатність | Перевірка f ≤ L/K; у звіті відображається рядком «Sehim f = ... ≤ L/K = ...» (прогин). |
Довжина бокового закріплення Lb: якщо поля бокового закріплення (Le) у вікні властивостей елемента залишено автоматичними, береться довжина балки; якщо значення введено вручну, використовується воно. Коефіцієнт розподілу моменту приймається із запасом надійності Cb = 1,0.
Граничний прогин K: задається для кожного елемента в тому самому місці, що й вибір K прогину для дерев’яних балок (за замовчуванням K = 300; залежно від вибору 200 / 150 / значення, введене вручну). Прогин обчислюється за експлуатаційним моментом (G+Q або G+S без коефіцієнтів); для консольної балки використовується еквівалент зосередженого навантаження на кінці.
5. Розрахунок сталевої колони
| Перевірка | Норма | Пояснення |
|---|---|---|
| Осьовий стиск | Розділ 8 | Втрата стійкості при згині в осях x та y і крутильна втрата стійкості для двоосесиметричного перерізу; Fcr і φcPn (φc = 0,90) за визначальною пружною критичною напругою. Визначальна форма втрати стійкості вказується у звіті. |
| Гнучкість перерізу | Таблиця 5.1A | Перевіряються межі b/2tf полиці та hw/tw стінки. Елемент із гнучким перерізом чітко позначається у звіті як «narin enkesit» (гнучкий переріз) і вважається недостатнім. |
| Відношення гнучкості | Рекомендація ÇYTHYE | Якщо KL/r > 200, у звіті виводиться червоне попередження «KL/r>200!». |
| Комбінований вплив | Розділ 11.3 | Осьовий стиск + двовісний згин: Рівн. 11.3a (Pr/Pc ≥ 0,2) або 11.3b; використане рівняння вказується у звіті. |
Ефективна довжина втрати стійкості KL: за замовчуванням береться довжина колони в межах поверху (висота поверху та різниці нижньої/верхньої позначок), приймається K = 1,0. Вводячи значення вручну в поля Le вікна Властивості колони, можна окремо задати довжину втрати стійкості для кожної осі.
6. Комбінації навантажень
Підхід розрахунку — YDKT (LRFD) (φb = φc = φv = 0,90). Зусилля беруться з обвідної комбінацій YDKT за ÇYTHYE (1,4G; 1,2G + 1,6Q + 0,5S; 1,2G + 1,6S + 1,0Q; за наявності вітру 1,2G + 1,0Q + 0,5S + 1,6W та 0,9G + 1,6W) і сейсмічних комбінацій програми (при землетрусі 1,2G, Q не менше 1,0). Ці комбінації не змінюють список комбінацій навантажень проєкту; вони використовуються лише в сталевому проєктуванні. Назва комбінації, що дає обвідну, відображається у звіті поруч із зусиллям.
Рядок в аналітичних попередженнях “Çelik kiriş/kolon tasarımında rüzgâr birleşimleri yok” (у проєктуванні сталевих балок/колон немає комбінацій вітру) повідомляє, що в проєкті не визначено вітрове завантаження. У списку комбінацій за замовчуванням (TBDY) вітру немає; щоб вітер враховувався в розрахунку, виберіть визначені завантаження та комбінації на вкладці Комбінації навантажень.
7. Звіти
Після аналізу в дереві вибору звіту з’являється група Звіти за сталевими елементами:
| Звіт | Зміст |
|---|---|
| Розрахунки сталевих балок | Поверх за поверхом, по одному блоку на балку: назва перерізу; матеріал (Fy); характеристики перерізу (A, Ix, Wel, Wpl, ry); Lb, Cb, Lp, Lr; розрахунковий момент (із комбінацією, що дає обвідну), Mn, відношення та визначальний граничний стан; розрахункова поперечна сила, Vn і відношення; комбінований вплив; рядок прогину; Результат: Yeterli / Yetersiz (достатньо / недостатньо) |
| Розрахунки сталевих колон | Характеристики перерізу (A, Ix, Iy, rx, ry); KLx, KLy, найбільше KL/r (за потреби — попередження); осьова сила (з комбінацією), φcPn, відношення та визначальна форма втрати стійкості; моменти у двох осях та їхні несучі здатності; рівняння взаємодії та його значення; Результат |
Виконані перевірки позначаються зеленим UYGUN (відповідає), невиконані — червоним X. Звіти формуються турецькою, коли мова програми — турецька, а в інших мовах — англійською.
8. Тривимірний вигляд
Балки й колони з призначеним профілем креслляться в тривимірному вікні з реальною геометрією перерізу (стінка–полиця двотавра/H, коробка, труба, зовнішній контур холодноформованого профілю). Елементи без призначеного профілю відображаються як прямокутні призми. Зображення перерізів також додаються до таблиць перерізів у звітах.
9. Важливі примітки
- Для колон із гнучким перерізом метод ефективної площі в цій версії не застосовується; програма не видає несучої здатності й чітко позначає елемент. Результат ніколи не показується мовчки як «безпечний».
- Для довжини втрати стійкості колони приймається K = 1,0; для інших умов обпирання введіть значення K·L вручну в поля Le.
- Модуль пружності сталевого матеріалу зчитується з бібліотеки матеріалів; неважливо, чи він визначений у кг/см², чи в МПа (одиниця розпізнається автоматично).
- Умови пластичності перерізів для сейсмічних впливів за Розділом 9 TBDY, відношення несучої здатності колони до балки та зв’язкові елементи не входять до сфери цієї версії.
10. Поширені запитання
У дереві звіту не видно групи «Звіти за сталевими елементами». Група з’являється, якщо в проєкті є хоча б одна балка або колона з позначеним типом проєктування «Сталь» і після аналізу. Переконайтеся, що у вікні властивостей елемента позначено варіант «Сталь» і що аналіз виконано повторно.
У звіті написано «Profil katalogda bulunamadı». Назву перерізу, призначену елементу, не вдалося знайти точно в бібліотеці заводських профілів (наприклад, назву перерізу змінено вручну). Призначте переріз повторно через форму Вибір заводського перерізу.
Несучі здатності вийшли значно меншими або більшими, ніж очікувалося. Спершу порівняйте рядок характеристик перерізу у звіті (A, Ix, Wpl) із таблицею профілів; потім перегляньте значення Lb і KL — бокове закріплення або довжину втрати стійкості могли ввести вручну. Узгодженість граничного стану балки (текучість / непружна / пружна крутильно-бокова втрата стійкості) з Lp і Lr можна побачити у звіті.
Сталева балка або колона в тривимірному вигляді виглядає прямокутною. Елементу не призначено профіль. Призначте профіль, виконавши кроки з розділу 2.
Чи може той самий елемент мати і сталеву, і залізобетонну перевірку? Ні; тип проєктування вибирається один. Елемент потрапляє до перевірки того модуля, тип якого позначено.