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).
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:
- Проверка прочности и устойчивости конструкции от воздействия собственного веса сооружения, ветровой и снеговой нагрузки при различных вариантах направления ветра.
- 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:
- Напряжения в стержнях всей схемы при наихудшем сочетании нагрузок не превышают допустимых (рис.7а);
- Максимальный прогиб конструкции при наихудшем сочетании нагрузок меньше допустимого (рис.7б).
- 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
- При любых сочетаниях воздействий на конструкцию все напряжения меньше допускаемых. Прочность конструкции обеспечена.
- При любых загружениях все прогибы меньше допустимого значения. Необходимая жесткость конструкции обеспечена.
- Система обладает общей устойчивостью.
