Моделювання збірних конструкцій

StatiCAD пропонує інструменти моделювання, розрахунку та проєктування з’єднань для збірних (заводського виготовлення) залізобетонних промислових будівель: стрижні змінного (nonprismatic) перерізу та параметричні перерізи Precast, призначення шарнірних з’єднань, еквівалентні розкоси діафрагми покриття (TBDY 2018 Дод. 8B), маси стінових панелей та кранів, навантаження від мостового крана, різні R і D у верхній та нижній частинах (TBDY 4.3.6), проєктування з’єднань за TBDY Розділ 8, сейсмічне навантаження на стінові панелі, зсув на рівні фундаменту та розрахунок армування балок полігонального перерізу та змінного перерізу.

Ці можливості розроблено та порівняно на прикладі будівлі з книги Турецької асоціації збірного залізобетону (40×75 м, двопрогонова, з проміжним перекриттям, мостовий кран 200 кН) (див. Верифікаційні дослідження збірних конструкцій).

інформація

У яких версіях? Інструменти для збірних конструкцій (команди збірних конструкцій у меню Макроси, шаблони перерізів Precast, вікно проєктування з’єднань і сторінка з’єднань у звіті) доступні у версії StatiCAD Ultimate. Дані збірних конструкцій проєкту, підготовленого в Ultimate, зберігаються у файлі; якщо проєкт відкрити в іншій версії, розрахунок виконується з тими самими даними. Визначення змінного перерізу (Nonprismatic) є в усіх версіях.

1. Загальна послідовність

1. У Загальних налаштуваннях проекту вкажіть тип будівлі (залізобетонна), матеріал і сейсмічні параметри. Для будівель з проміжним перекриттям у поля R і D введіть коефіцієнти верхньої частини.
2. Визначте перерізи: колони прямокутні; для похилих балок покриття використовуйте змінний переріз або шаблони Precast (Розділи 2 і 3).
3. Накресліть колони та балки. Виділіть балки, що з’єднуються шарнірно (балка покриття, прогін, жолобова балка), і виконайте команду Макроси → Зробити кінці виділених балок шарнірними (M2+M3) (Розділ 4).
4. Визначте діафрагму покриття: жорстка діафрагма (за замовчуванням) або еквівалентні розкоси Дод. 8B (Розділ 5).
5. Введіть маси стінових панелей і мосту крана як додаткову сейсмічну масу, а навантаження від мостового крана — у вікні крана; для будівель з різними несучими системами у верхній та нижній частинах налаштуйте різні R–D (див. Навантаження від мостового крана, додаткові сейсмічні маси та різні R–D).
6. Перевірте параметри розрахунку та запустіть розрахунок. Армування залізобетонних балок полігонального та змінного перерізу обчислюється автоматично під час розрахунку.
7. Спроєктуйте з’єднання у вікні Макроси → Проєктування збірних з’єднань (TBDY Розділ 8)... і додайте їх до звіту (див. Проєктування збірних з’єднань).

примітка

Усі команди для збірних конструкцій розташовані в кінці меню Макроси головного меню. Вікна розкосів, крана та з’єднань не є модальними: поки вікно відкрите, ви можете й надалі вибирати елементи в моделі.

2. Параметричні шаблони перерізів Precast

У списку типів шаблонів вікна Властивості перерізу стрижневого елемента є наведені нижче шаблони. Після вибору шаблону таблиця Параметри перерізу показує розміри (см) та їхній опис; у попередньому перегляді переріз миттєво креслиться з позначками розмірів.

Шаблон	Застосування
Precast I	Збірна балка двотаврового перерізу або з грушоподібною полицею (bulb tee); ширини полиць, висоти, фаска та товщини стінки
Precast T	Балка перекриття з однією верхньою полицею та фасками (збірна частина композитної балки із замонолічуваним верхом)
Precast U	Збірна балка U-подібного перерізу або жолоб
Precast Box, Box/Tube	Коробчасті перерізи: зовнішні розміри, товщини стінок і плит
Trapezoidal	Трапецієподібний переріз: верхня та нижня ширина, висота

Переріз зберігається в програмі як полігональний; площа, моменти інерції та центр ваги обчислюються автоматично за полігоном. Параметри також зберігаються, тому під час повторного відкриття переріз з’являється в параметричному режимі. Схему армування можна задати в редакторі полігона, а якщо залишити порожньою, вона автоматично формується під час проєктування балки. Під час експорту в SAP2000 шаблони передаються з власними визначеннями збірних перерізів SAP2000.

3. Балки змінного (nonprismatic) перерізу

Елементи, висота яких змінюється по довжині, як-от ферма-балка покриття, моделюються одним стрижнем; жорсткість обчислюється за фактичною зміною перерізу. Визначення виконується у вікні Визначення змінного перерізу, яке відкривається вибором типу шаблону Nonprismatic у вікні Властивості перерізу стрижневого елемента:

Стовпець	Опис
Start Section / End Section	Переріз на початку та в кінці ділянки (з раніше визначених призматичних перерізів; напр. прямокутник 40×26 на кінці та 40×140 посередині або два різні Precast I)
Length / Length Type	Absolute: довжина ділянки в см. Variable: відносна вага; після вирахування з довжини елемента ділянок Absolute решта довжини розподіляється між ділянками Variable в цій пропорції.
EI33 / EI22 variation	Закон зміни жорсткості на згин: Linear (EI лінійно), Parabolic (√EI лінійно; коли в двотавровому перерізі з домінуючою полицею змінюється висота), Cubic (∛EI лінійно; прямокутник зі сталою шириною та лінійно змінною висотою)

Двосхила (двоскатна) балка покриття визначається двома ділянками: кінцевий переріз → середній переріз → кінцевий переріз. Площа, крутильна стала та площі зсуву змінюються в межах ділянки лінійно. Достатньо вибрати назву перерізу як переріз балки; розрахунок, експорт у SAP2000 (з усіма ділянками) та проєктування армування використовують змінний переріз автоматично.

інформація

Як обчислюється? Матриця жорсткості елемента формується інтегруванням податливості для характеристик перерізу, що змінюються по довжині (з урахуванням деформації зсуву); для сталого перерізу ця матриця збігається з матрицею призматичного елемента з чисельною точністю. Реакції защемлення від розподіленого навантаження також обчислюються для змінного перерізу; товстіший кінець отримує більший момент защемлення. Маса та власна вага розподіляються по довжині за середньою площею (загальний об’єм коректний).

примітка

Змінний переріз враховується лише в балках; призначення його колоні не підтримується.

4. Шарнірні (штирові) з’єднання

У збірних будівлях балки покриття, прогони та жолоби до колон зазвичай з’єднуються штирьовими шарнірами. Щоб призначити це за один крок, виділіть відповідні балки (на всіх поверхах) і виконайте команду Макроси → Зробити кінці виділених балок шарнірними (M2+M3). Команда звільняє на обох кінцях кожної виділеної балки два згинальні моменти (M2, M3), обнуляє коефіцієнти пружин шарніра та робить шарнір чинним в усіх завантаженнях; наприкінці вона повідомляє, скільки балок оброблено. Шарнір для одного кінця можна також ввести з таблиці шарнірів у вікні властивостей балки.

Навіть якщо в балках є зміщення осі (балка розташована нижче вузлової лінії), шарнір застосовується з боку вузла; штирьова балка працює як справжня проста опора. Композитна осьова сила, що виникає від спільної дії жорсткої діафрагми та зміщення осі, виключається з оцінки осьового навантаження балки.

5. Діафрагма покриття: жорстка діафрагма або еквівалентні розкоси Дод. 8B

За замовчуванням для кожного поверху (включно з покриттям) приймається жорстка діафрагма (Загальні налаштування проекту → Зусилля в елементах → Повністю жорстка діафрагма). У покриттях із прогонами та розкісними відсіками, де до діафрагми прив’язано тисячі вузлів, жорстка діафрагма розв’язується точним перетворенням «головний–залежний»; налаштування користувача не потрібні.

Для покриттів із профнастилу або сендвіч-панелей TBDY Дод. 8B дозволяє подати зсувну жорсткість площини покриття парами еквівалентних розкосів із шарнірами на обох кінцях. Для цього скористайтеся вікном Макроси → Еквівалентні розкоси діафрагми збірного покриття (TBDY Дод. 8B):

Введення	Опис	За замовчуванням
Діаметр самонарізного гвинта D (мм)	Діаметр гвинта, що кріпить лист до прогону	4
Товщина верхнього листа t1 (мм)	Товщина листа профнастилу; у сендвіч-панелі — верхній лист	0,5
Нижній лист t2 (мм)	Нижній лист сендвіч-панелі; для профнастилу 0	0,4
Гвинтів на одиницю довжини n (шт./м)	Кількість гвинтів на метр уздовж прогону	5,5
Межа текучості листа fy (МПа)		255
Коефіцієнт безпеки γ		0,67
Кількість відсіків	На скільки комірок у напрямку довжини балки ділиться відстань між двома балками	4
Матеріал розкосу E (МПа)	Модуль пружності еквівалентного стрижня	33227

1. Обчислити: показуються еквівалентна осьова жорсткість (EA)e, найбільша сила, яку може сприйняти один розкіс, порівняння за TBDY Рівн. 8B.1, переріз еквівалентного стрижня та умови застосовності Дод. 8B (крок прогонів ≤ 2,0 м, кут розкосу ≈ 45°).
2. У моделі виберіть дві паралельні балки, між якими встановлюватимуться розкоси (напр. дві сусідні балки покриття), і натисніть кнопку Створити розкоси між 2 виділеними балками. Відстань між двома балками ділиться на вибрану кількість комірок, і в кожну комірку встановлюється X-подібна пара. Розкоси — це віртуальні елементи з шарнірами на обох кінцях, без маси та без навантаження; вони не входять до залізобетонного проєктування та кошторису матеріалів.
3. Створені розкоси та вихідні балки залишаються виділеними. Виконайте команду Макроси → Розбити виділені балки, що перетинаються, на всіх поверхах, щоб кінці розкосів з’єдналися з прогонами та балками в спільному вузлі.

примітка

Під час роботи з покриттям із розкосами Дод. 8B необхідно вибрати Загальні налаштування проекту → Зусилля в елементах → Напівжорстка діафрагма. Для порівняння рекомендується також виконати розрахунок із жорсткою діафрагмою.

6. Параметри розрахунку

Параметр	Розташування	Опис
Повністю жорстка / Напівжорстка діафрагма	Загальні налаштування проекту → Зусилля в елементах	Для покриття з розкосами Дод. 8B вибирається напівжорстка; в іншому разі рекомендується жорстка діафрагма.
Призначення жорсткої діафрагми в модальному розрахунку	Загальні налаштування проекту → Сейсмічні зусилля	За варіанта «Виконувати» використовується редукована модель із трьома ступенями свободи на поверх (UX, UY, RZ); вузли на позначці поверху (±2 см) прив’язуються до поверху.
Враховувати плити перекриття в модальному розрахунку з жорсткою діафрагмою	Загальні налаштування проекту → Сейсмічні зусилля	Внесок оболонок плит у жорсткість враховується в статичному розрахунку, а в модальному розрахунку з жорсткою діафрагмою за замовчуванням — ні; тому модальні періоди виходять трохи довшими, а статичні переміщення трохи меншими (2–5 %). Щоб зрівняти два розв’язки, параметр можна вмикати в малих моделях; у великих покриттях із прогонами та розкісними відсіками через потребу в пам’яті це не рекомендується.
Прив’язка проміжних вузлів балок до жорсткої діафрагми	Загальні налаштування проекту → Сейсмічні зусилля	Якщо осі балок змодельовано нижче вузлової лінії, вузли поділу балки прив’язані до жорсткої діафрагми, через що балки стають композитно жорсткими. Коли параметр увімкнено, поза діафрагмою залишаються лише вузли поділу; вузли колон, стін жорсткості та перетину балок залишаються прив’язаними. За замовчуванням вимкнено, зберігається разом із проєктом.

7. Межі застосування

• Змінний переріз враховується лише в балках; розрахунок попередньо напружених перерізів виходить за межі застосування.
• Перевірки короткої консолі (коротка консоль) і консолі крана, перевірки стакана (гніздового) фундаменту та перевірки монтажної стадії в цій версії відсутні.
• Зсувну жорсткість напівжорсткого покриття з розкосами Дод. 8B слід оцінювати разом із розв’язком із жорсткою діафрагмою.
• У деталі з’єднання полиці зі стінкою шаблону Precast U є невелика різниця в площі порівняно з SAP2000 (−4 % у прикладі перерізу).

8. Типові ситуації

Ознака	Рішення
У меню Макроси немає команд для збірних конструкцій; у списку перерізів не відображаються шаблони Precast.	Інструменти для збірних конструкцій активні у версії Ultimate.
Створені розкоси не з’єднуються з прогонами.	Виконайте команду Макроси → Розбити виділені балки, що перетинаються, на всіх поверхах, коли розкоси та балки виділені.
Домінуючий період коротший за очікуваний.	Це наслідок припущення про жорстку діафрагму покриття; пояснення наведено у верифікаційній статті.