вторник, 30 июня 2015 г.

Построение конечно-элементной модели и расчет на ветровую нагрузку большепролетной пространственной навесной конструкции выставочного комплекса

,
магистр ФГБОУ ВПО СПбГПУ

  Целью данной статьи является предоставление информации по расчёту на ветровую и снеговую нагрузку конструкции сложной геометрической формы с использованием современного программно-вычислительного комплекса SOFiSTiK , реализующего метод конечных элементов (МКЭ).
  Расчёт произведён на примере большепролётной пространственной навесной конструкции "Северный козырёк" выставочного комплекса в п.Шушары Ленинградской области.

1. Введение

  Целью данной статьи является предоставление информации по расчёту на ветер конструкции сложной геометрической формы с использованием современного программно-вычислительного комплекса SOFiSTiK (www.sofistik.ru), реализующего метод конечных элементов (МКЭ).

2. Постановка задачи

Рис. 1. Северный козырёк выставочного комплекса
  Задача расчета большепролетной пространственной навесной конструкции "северный козырек" выставочного комплекса (рис.1) на ветровую и снеговую нагрузку возникла при разработке компанией ООО"Евгений Герасимов и партнёры" проекта строительства конгрессно-выставочного комплекса в п. Шушары, Ленинградской обл.
  В связи с этим возникла необходимость следующего исследования:
  1. Проверка прочности и устойчивости конструкции от воздействия собственного веса сооружения, ветровой и снеговой нагрузки при различных вариантах направления ветра.
  2. Определение максимальных прогибов конструкции.
  Задача решалась с учетом опыта расчетов и исследований пространственных конструкций. Для выполнения исследования были получены следующие исходные данные:
  • Схема козырька по чертежам архитектуры.
Рис. 2. Конструкция северного козырька
(главные фермы, диагональные фермы и второстепенные фермы)
  Конструкция состоит из главных ферм, второстепенных ферм и диагональных ферм, а также системы облицовки. Главные фермы расположены перпендикулярно фасаду основного здания, также они являются консольными. Второстепенные фермы передают нагрузки от подконструкции облицовки на главные фермы и, в дополнение, являются опорами в горизонтальном направлении для консольных ферм. Диагональные же фермы создают дополнительную опору по типу арки, которая передаёт большую часть усилий от внешних воздействий через стальную опору в фундамент (рис.2).
  • Характеристики материалов и сечений сооружения.
  Все сечения - круглые трубы по ГОСТ 8732-78 диаметра от 152 до 500мм, толщиной стенки от 6 до 36мм. Для всех элементов конструкции Северного козырька применяется сталь класса С345 по ГОСТ 27772-88 (рис. 3).
Рис.3. Нормативные и расчётные сопротивления стали С345
  • Отчёт о ветровых нагрузках по результатам аэродинамических испытаний Wacker Ingenieure от 10.10.2011.
  • Рекомендации по назначению расчетных снеговых и ветровых нагрузок для козырьков Конгрессно-выставочного комплекса, ЦНИИСК им.Кучеренко, М., 2012

3. Построение конечно-элементной модели

  Наиболее эффективным способом построения расчетной модели является совмещение программ создания геометрии конструкции и программ, задающих физические свойства для построенных геометрических моделей. При исследовании северного козырька была использована следующая связка программ: AutoCAD -> SOFiPLUS -> SOFiSTiK.
  Основным принципом построения конечно-элементной модели является представление архитектурной формы козырька примитивами в трёхмерной модели среды AutoCAD. Впоследствии модуль SOFiPLUS позволяет преобразовывать примитивы AutoCAD в конструктивные элементы софистика - структурные элементы типа "стержень" и "оболочка".
  Примитивом стержня в среде AutoCAD использовался элемент "Трехмерная полилиния (3d polyline)" - универсальный примитив, позволяющий моделировать непрерывные отрезки в трёхмерном пространстве. В качестве примитивов пластин использовались элементы "3dface", "Surface (network)", "Surface (nurbs)".
  С помощью команды "Structural line" на панели "SofiPlus" отрезки превращаются в стержни диагональных ферм соответствующего материала с соответствующими сечениями. Пластины обращаются командой "Structural area" панели "SofiPlus" в оболочки с заданной жесткостью (рис.4):
Рис.4. Стержневые и пластинчатые элементы расчётной модели

4. Приложение нагрузок на конечно-элементную модель

  Рассматриваемое сооружение имеет достаточно сложные объемно-планировочные и конструктивные решения, не имеющие каких-либо аналогов. В СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия», а также в других отечественных и зарубежных нормативных документах не приводятся данные о распределении снеговой и ветровой нагрузок по ограждающим конструкциям подобного типа.
Рис. 5. Испытание макета козырька в аэродинамической трубе
  Для безопасного и экономичного проектирования и строительства козырька необходима реалистичная оценка ветровых нагрузок (осредненных по площади) и местных пиковых ветровых нагрузок, действующих одновременно на конструкции козырька. Для этого требуются соответствующие испытания в аэродинамической трубе (рис.5). Для получения параметров, описывающих ветровые потоки, компанией "«Wacker Ingenieure», г. Биркенфельд проводились обширные измерения с использованием статичного приемника воздушного давления и постоянной температуры термоанемометров.
  Результатом обдува является полученное распределение квазистатических ветровых нагрузок по конструкции Козырька при различных направлениях ветра. Распределение снеговой нагрузки для Северного козырька представлено в Рекомендациях по назначению расчетных снеговых и ветровых нагрузок для козырьков Конгрессно-выставочного комплекса в г.Санкт-Петербург, ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко на основе материалов испытаний, проведенных в аэродинамической трубе фирмы "Wacker Ingenieure".
Рис.6. Приложение нагрузок на расчётную схему
по изополям снегового и ветрового давления
  Значения ветровых и снеговых нагрузок берутся по "Рекомендациям по назначению расчетных снеговых и ветровых нагрузок для козырька Конгрессно-выставочного комплекса" от ЦНИИСКа им.Кучеренко. Перед каждым загружением по изополям снегового и ветрового давления элементы облицовки в схеме окрашиваются в соответствующие цвета, так что каждому значению нагрузки присваивался соответствующий цвет (рис.6). Таким образом, картина загружения переносится на модель в SOFiPLUS.
  По результатам расчетов северного козырька в программном комплексе SOFiSTiK можно сделать следующие выводы:
  1. Напряжения в стержнях всей схемы при наихудшем сочетании нагрузок не превышают допустимых (рис.7а);
  2. Максимальный прогиб конструкции при наихудшем сочетании нагрузок меньше допустимого (рис.7б).
  3. Коэффициенты запаса устойчивости для всех загружений >1.
Рис. 7. Результаты анализа конструкции:
а - эквивалентные напряжения всех сечений , МПа (макс. 233 МПа);
б - осадка вдоль оси Z при  наихудшем сочетании воздействия снега и ветра, мм (макс. 282 мм).

5. Выводы

  1. При любых сочетаниях воздействий на конструкцию все напряжения меньше допускаемых. Прочность конструкции обеспечена.
  2. При любых загружениях все прогибы меньше допустимого значения. Необходимая жесткость конструкции обеспечена.
  3. Система обладает общей устойчивостью.


0 comment to “Построение конечно-элементной модели и расчет на ветровую нагрузку большепролетной пространственной навесной конструкции выставочного комплекса”

Отправить комментарий