Основы

Вкладка Базовая управляет основными параметрами стержня. Если в разделе «Параметры» установлен флажок, обычно добавляется дополнительная вкладка диалогового окна. Там можно задать соответствующие детали.

Тип стержня

Тип стержня определяет, как воспринимаются внутренние силы или какие свойства предполагаются для стержня. В списке доступны различные типы стержней.

Балочный стержень

Балка — это изгибно-жёсткий стержень, который может передавать все внутренние силы. Балочный стержень не имеет шарниров на своих концах. Этот тип стержня может быть нагружен всеми типами нагрузок.

Жёсткий стержень

Жёсткий стержень связывает перемещения двух узлов через жёсткое соединение. Таким образом, он в принципе соответствует Соединению. Это позволяет определять стержни с очень большой жёсткостью с учётом шарниров, которые также могут иметь жёсткости пружин и нелинейности. Численные проблемы практически не возникают, так как жёсткости адаптированы к системе.

Для жёстких стержней внутренние силы выводятся, если в Навигаторе - Результаты внизу в категории «Стержни» активированы Результаты для соединений.

Для жёстких стержней принимаются следующие жёсткости:

Стержень ребра

С помощью рёбер можно моделировать тавровые балки (перемычки). При этом типе стержня эксцентриситеты и эффективная ширина полки учитываются в модели МКЭ.

Рёбра в первую очередь подходят для железобетонных стержней, так как внутренние силы и сечения рёбер включаются в расчёт железобетонных конструкций. Стальной лист с приваренным «ребром» следует моделировать как поверхность с эксцентрично прикреплённым стержнем.

Для «Расположения рёбер» список предлагает несколько вариантов выбора.

Ребро обычно представляет собой эксцентрично расположенный стержень. Эксцентриситет автоматически определяется из половины толщины поверхности и половины высоты стержня. Однако его также можно задать вручную. Эксцентриситет ребра увеличивает жёсткость модели. При центральном расположении ось тяжести ребра находится в середине поверхности.

Эффективную ширину ребра необходимо определить в разделе «Размеры полки» для левой и правой сторон. Обычно можно сохранить настройку «Определить автоматически», с помощью которой программа определяет обе поверхности. Если на линии ребра сходится более двух поверхностей, релевантные поверхности должны быть установлены вручную.

Для ввода значений ширины интегрирования b_-y,int и b_+y,int существуют различные возможности (см. рисунок Новое ребро): Ширину можно ввести напрямую или автоматически определить из длины стержня с помощью опций L_ref / 6 и L_ref / 8. Их также можно определить в соответствии с требованиями нормы, например, по 'EC2' Раздел 5.3.2.1.

Значения b_y,int определяют ширину поверхности или зоны захвата, из которой должны быть проинтегрированы внутренние силы. Значения b_y,eff представляют ширину поперечного сечения полки ребра от центра стенки до соответствующего края. По умолчанию b_y,int и b_y,eff равны. Однако после нажатия кнопки их можно определить отдельно.

Если были определены узлы типа «Узел на стержне», ребро можно определить для отдельных сегментов по участкам. Если определено несколько сегментов, ступенчатые области ширины можно линеаризовать друг с другом через столбец таблицы «Линейное распределение», чтобы предотвратить большие скачки жёсткости в стержне ребра.

В 3D-моделях эффективная ширина не влияет на жёсткость, так как повышенная жёсткость учитывается за счёт эксцентричного стержня. Однако эффективная ширина влияет на распределение внутренних сил стержня и поверхности.

Ферменный стержень

Ферменный стержень соответствует балочному стержню с моментными шарнирами на обоих концах. Дополнительно поворот вокруг продольной оси в начале стержня освобождается шарниром φ_x. Для этого типа стержня изгибающие и крутящие моменты от нагрузок на стержень выводятся.

Ферменный стержень (только N)

Этот тип ферменного стержня с жёсткостью E ⋅ A способен воспринимать нормальные силы как при растяжении, так и при сжатии. Выводятся только узловые внутренние силы. Стержень показывает линейное распределение внутренних сил, если только на стержень не действует сосредоточенная нагрузка. Не выводится эпюра моментов, которая могла бы возникнуть из-за собственного веса или линейной нагрузки. Однако узловые силы вычисляются из нагрузок на стержень, что обеспечивает их корректную передачу.

Устойчивый к потере устойчивости раскос (Buckling-Restrained Brace)

Тип Buckling-restrained brace позволяет моделировать стержень со стальным сердечником (плоская стальная полоса или крестообразное сечение) и заполненным бетоном покрытием в квадратном или круглом пустотелом профиле. Он используется, в частности, в США для усиления зданий, подверженных сейсмическим воздействиям.

Стальной сердечник является подвижным без сцепления в бетонной обойме. При воздействии сжатия возникает «микровыпучивание» с высокими собственными формами, поскольку оболочка предотвращает глобальную потерю устойчивости всего стержня.

Для жёсткости стержня учитывается только стальной сердечник, для автоматического учета собственного веса - также бетонное покрытие с внешней стальной оболочкой.

Растянутый стержень

Растянутый стержень может воспринимать только растягивающие силы. Тип стержня соответствует «Ферменному стержню (только N)», который выключается из работы при воздействии сжимающей силы.

Расчёт стержневой системы с растянутыми стержнями выполняется итеративно: На первом этапе определяются внутренние силы всех стержней. Если растянутые стержни получают отрицательную нормальную силу (сжатие), начинается следующий этап итерации. Вклады жёсткости этих стержней больше не учитываются — они вышли из строя. Этот процесс продолжается до тех пор, пока ни один растянутый стержень не выйдет из строя. Система может стать неустойчивой из-за выхода из строя растянутых стержней.

Сжатый стержень

Сжатый стержень может воспринимать только сжимающие силы. Тип стержня соответствует «Ферменному стержню (только N)», который выключается из работы при растягивающей силе. Выход из строя сжатых стержней может привести к неустойчивой системе.

Стержень с потерей устойчивости

Стержень с потерей устойчивости соответствует «Ферменному стержню (только N)», который воспринимает неограниченные растягивающие силы, но сжимающие силы только до достижения критической силы. Для случая Эйлера 2 эта сила определяется следующим образом:

С помощью этого типа стержня часто можно избежать неустойчивостей, возникающих при нелинейном расчёте по теории II или III порядка из-за потери устойчивости ферменных стержней. Если заменить их (в соответствии с реальностью) на стержни с потерей устойчивости, во многих случаях критическая нагрузка увеличивается.

Вантовый стержень (канат)

Вантовый стержень (канат) воспринимает только растяжение. Это позволяет моделировать вантовые цепи с помощью итеративного расчёта по теории III порядка с учётом продольных и поперечных сил.

Вантовые стержни (канаты) подходят для моделей, в которых могут возникать большие деформации с соответствующими изменениями внутренних сил. Для простых расчалок, например, у навеса, вполне достаточно растянутых стержней.

Арматурный стержень

С помощью этого типа стержня можно моделировать ненапрягаемую стальную арматуру в КЭ-модели железобетонного элемента. Таким образом, можно исследовать, например, области разрыва, основанные на аналоговой ферменной модели (растянутые и сжатые раскосы в консолях, балках с отверстиями).

Арматурный стержень обладает функцией автоматического соединения с другими элементами, такими как стержни или поверхности, если он физически находится внутри элемента. Как и Ферменный стержень (только N), арматурный стержень имеет только тангенциальную жёсткость. Нелинейное поведение материала в настоящее время пока невозможно.

В разделе «Настройки» в качестве типа стержня установлена ненапрягаемая арматура. Другие типы арматурных стержней доступны, если активирован аддон Напрягаемые арматурные элементы.

В разделе «Мастер-объекты» назначьте стержни или поверхности, в которых находится арматурный стержень. Для этого используйте кнопку . С помощью кнопки вы можете затем автоматически соединить арматурный стержень с мастер-объектом.

Вантовый стержень на роликах

Этот тип вантового стержня также воспринимает только растягивающие силы и рассчитывается по вантовой теории (теория III порядка). Однако вантовый стержень на роликах может быть определён только на полилинии, которая имеет по крайней мере три узла. Поэтому этот тип стержня подходит для изгибно-гибких растянутых элементов, продольные силы которых проводятся через модель с помощью точек отклонения. Пример применения — полиспаст.

В отличие от обычного вантового стержня, во внутренних узлах возможно только перемещение в продольном направлении (u_x). Поэтому стержень не должен нагружаться нагрузками на стержень, действующими в локальном направлении y или z. Учитываются только перемещения u_x и нормальные силы N.

На внутренних узлах полилинии не имеет значения, имеется ли узловая опора или стержень соединён с другой конструкцией: исследуется вся система вантового стержня по длине полилинии.

Результирующая балка

Результирующая балка подходит для интегрирования результатов по поверхностям, объёмным телам или стержням в фиктивном стержне. Таким образом можно, например, считывать результирующие поперечные силы поверхности для расчёта каменной кладки.

Линия результирующей балки может быть размещена в модели произвольно. Результирующая балка не требует ни опирания, ни соединения с моделью. Однако необходимо назначить сечение, чтобы обеспечить возможность расчёта. К результирующей балке не могут быть приложены нагрузки.

В разделе «Интегрировать напряжения и силы» выберите тип результирующей балки, чтобы определить геометрическую форму области интегрирования. В разделе «Параметры» затем можно определить размеры. Они относятся к линии стержня в его центре тяжести.

В разделе «Включить объекты» определите поверхности, ячейки поверхностей, объёмные тела и стержни, результаты которых должны учитываться при интегрировании. В качестве альтернативы выберите «Все» объекты, а затем исключите определённые элементы в разделе «Исключено из включённых объектов».

Линия результатов

Линия результатов подходит для интегрирования результатов по поверхностям, объёмным телам или стержням в линию. Эта линия может быть размещена в модели произвольно.

Принцип соответствует Результирующей балке. Однако здесь не нужно назначать сечение. На вкладке «Сечение» вы можете считать длину линии и, при необходимости, повернуть линию для отображения результатов; другой функции у неё нет.

Передача нагрузки

С помощью этого типа стержня нагрузки могут быть приложены к объектам, которые соединены со стержнем в концевых или промежуточных узлах. Сам стержень не обладает жёсткостью. Критерии передачи нагрузки можно задать на новой вкладке.

Передача нагрузки в настоящее время осуществляется с помощью полосового метода. Нагрузка на стержень передачи нагрузки — нагрузка на стержень или узловая нагрузка типа сила, момент или масса — пропорционально передается на ближайшие общие структурные объекты. Это, например, опёртые узлы, стержни, узлы поверхностей или опёртых линий.

Если необходимо учитывать собственный вес стержня, вес стержня можно задать в разделе «Параметры».

В разделе «Нагружаемые объекты» указываются номера узлов, в которых нагрузка на стержень передается на примыкающие объекты. Если не все из этих узлов релевантны, определённые узлы можно исключить в разделе «Без воздействия на».

Виртуальная балка

Этот тип стержня позволяет применять свойства поперечного сечения для Open Web Steel Joists, которые Steel Joist Institute предоставил в так называемых таблицах «Virtual Joist». Эти профили Virtual Joist представляют собой эквивалентные широкополочные балки, которые очень близки к площади пояса, эффективному моменту инерции и весу. Таким образом, балка заменяется стержнем с виртуальным сечением. Это позволяет моделировать сложные несущие элементы, такие как ферменная балка, в общей системе.

В списке выберите «Серия» виртуальной балки.

В списке «Виртуальная балка» затем можно определить точный тип.

Кнопка в разделе «Сечение и материал» позволяет импортировать виртуальную балку из библиотеки сечений.

Модель поверхности

Этот тип стержня в первую очередь подходит для отображения перфорированных и ячеистых балок или местной редукции сечения, такой как проёмы для инженерных коммуникаций, в стержневой модели. При этом стержень преобразуется в модель поверхности, в которой Отверстия в стержне располагаются в соответствии с указаниями пользователя. Однако стержень сохраняется. Должны быть выполнены следующие условия:

• Сечение представляет собой стандартный или параметризованный тонкостенный профиль со стенкой.
• Материал сечения основан на изотропной линейно-упругой модели материала.

При типе стержня «Модель поверхности» стержень существует как в виде стержневого, так и в виде поверхностного объекта. Геометрические свойства идентичны; обе модели имеют один и тот же центр тяжести. Отображение управляется в Навигаторе - Показать через запись Модель → Базовые объекты → Стержни → Модель поверхности или кнопкой на панели инструментов.

КЭ-сеть модели поверхности создается автоматически и в настоящее время не может быть изменена. При статическом расчёте используется модель поверхности. Для оценки затем доступны как результаты по стержню (как для Результирующей балки, где напряжения частей поверхности стержня интегрируются во внутренние силы стержня), так и результаты по поверхности. Управление здесь также можно осуществлять через Навигатор - Показать или кнопку .

Расчёт стержня типа «Модель поверхности» в аддонах выполняется с использованием внутренних сил стержня и сечения стержня.

Как видно на рисунке выше, на концах стержня типа «Модель поверхности» создается несколько Жёстких стержней. Они соединяют модель поверхности с конечными узлами примыкающих стержней. Это обеспечивает корректную передачу внутренних сил к 1D-объектам. Если несколько стержней типа «Модель поверхности» примыкают друг к другу, эти соединительные стержни создаются для каждого стержня.

В этом случае определите для нагрузки на стержень Эксцентриситет силы относительно сечения. Таким образом, нагрузка прикладывается реалистично по краю сечения и сохраняется также в модели поверхности.

Жёсткость

С помощью этого типа стержня можно использовать стержень с пользовательскими жёсткостями. Параметры жёсткости необходимо определить в диалоговом окне «Новая жёсткость стержня» (см. главу Жёсткости стержня).

Соединение

Соединительный стержень — это виртуальный, очень жёсткий стержень с жёсткими или шарнирными концами. Доступны четыре варианта для соединения степеней свободы начального и конечного узлов как «Жёстко» или через «Шарнир». Соединения позволяют моделировать особые ситуации передачи сил и моментов. При этом нормальные и поперечные силы, а также крутящие и изгибающие моменты передаются непосредственно от узла к узлу.

Пружина

Пружинный стержень предлагает возможность моделировать линейные или нелинейные свойства пружины с определяемыми диапазонами действия. Для пружинного стержня на вкладке «Сечение» необходимо указать только длину стержня L_z, сечение не требуется: Жёсткость стержня определяется параметрами пружины, которые вы определяете в диалоговом окне «Новая пружина стержня» (см. главу Пружины стержня).

Демпфер

Демпфер в принципе соответствует пружинному стержню с дополнительным свойством «Коэффициент вязкого демпфирования». Этот тип стержня расширяет возможности для динамического анализа методом прямого интегрирования во времени.

Как и для пружинного стержня, на вкладке «Сечение» необходимо указать только длину стержня L_z, сечение не требуется. Жёсткость стержня определяется параметрами пружины, которые вы определяете в диалоговом окне «Новая пружина стержня» (см. главу Пружины стержня). Свойства демпфирования можно контролировать с помощью коэффициента вязкого демпфирования X.

Параметры

В этом разделе можно задать дополнительные свойства стержня с помощью флажков.

Узел на стержне

С помощью одного или нескольких узлов на стержне можно разделить стержень на сегменты, не разделяя сам стержень (см. главу Узлы).

Шарниры

Можно разместить шарниры на стержне, чтобы управлять передачей внутренних сил на концевых узлах (см. главу Концевые шарниры стержня). Для некоторых типов стержней ввод невозможен, так как уже имеются внутренние шарниры. Можно назначить шарниры отдельно для «Начала стержня i» и «Конца стержня j».

Эксцентриситеты

Эксцентриситеты предоставляют возможность прикрепить стержень к конечным узлам не по центру (см. главу Эксцентриситеты стержня). Можно назначить эксцентриситеты отдельно для «Начала стержня i» и «Конца стержня j».

Опора

Можно назначить стержню опирание, которое действует по всей его длине. Степени свободы и жёсткости пружин необходимо определить в условиях опирания (см. главу Стержневые опоры).

Поперечные рёбра жёсткости

Поперечные рёбра жёсткости на стержне влияют на жёсткость депланации стержня. Они влияют на расчёт с кручением с депланацией с учётом семи степеней свободы (см. главу Поперечные рёбра жёсткости стержня).

Отверстия в стержне

Отверстия в стержне влияют на характеристики сечения и распределение внутренних сил. Они важны для типа стержня «Модель поверхности». В главе Отверстия в стержне описано, как можно определить тип и расположение отверстий.

Нелинейность

Можно назначить стержню нелинейность. Нелинейные свойства должны быть определены как нелинейности стержня (см. главу Нелинейности стержня).

Промежуточные точки результатов

С помощью промежуточных точек результатов можно управлять табличным выводом результатов вдоль стержня. Точки деления необходимо определить в диалоговом окне «Новая промежуточная точка результатов стержня» (см. главу Промежуточные точки результатов стержня).

Концевые модификации

С помощью концевых модификаций можно графически адаптировать геометрию стержня на его концах. Таким образом, можно подготовить свесы, укорочения или скосы для визуализированного отображения.

«Удлинение»: Можно определить «Удлинение» для начала и конца стержня. Отрицательное значение Δ действует как укорочение.

«Скос»: С помощью скоса можно скосить каждый конец стержня. Возможны углы наклона вокруг обеих осей стержня y и z. Положительный угол вызывает поворот по часовой стрелке вокруг соответствующей положительной оси.

Активировать передачу нагрузки

Этот флажок позволяет распределять нагрузку на стержень — независимо от жёсткости стержня — с помощью передачи нагрузки. Таким образом, стержень эффективен в модели благодаря своей жёсткости. С другой стороны, распределение нагрузки на соседние объекты контролируется параметрами, которые можно установить на вкладке Передача нагрузки.

Деактивировать для расчёта

Если установить этот флажок, стержень, включая нагрузку, не учитывается в расчёте. Это позволяет исследовать, как изменяется несущая способность модели, когда определённые стержни неэффективны. Стержни не нужно удалять; нагрузки также сохраняются.