Основы

Вкладка Основы управляет основными параметрами стержня. Если установить флажок в разделе «Опции», как правило, добавляется ещё одна вкладка диалогового окна. В ней можно задать соответствующие детали.

Тип стержня

Тип стержня определяет, каким образом могут восприниматься внутренние силы или какие свойства предполагаются для стержня. В списке доступны для выбора различные типы стержней.

Балочный стержень

Балка — это стержень с жёсткостью на изгиб, способный передавать все внутренние силы. Балочный стержень не имеет шарниров на своих концах. Этот тип стержня может нагружаться всеми типами нагрузки.

Жёсткий стержень

Жёсткий стержень соединяет перемещения двух узлов посредством жёсткого соединения. Он, по сути, соответствует соединению. С его помощью можно задать стержни с очень большой жёсткостью с учётом шарниров, которые также могут иметь жёсткость 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» активировать Результаты для соединений.

Для жёстких стержней принимаются следующие жёсткости:

Стержень типа «Ребро»

С помощью рёбер можно моделировать тавровые балки (перемычки). Для этого типа стержня в модели МКЭ учитываются эксцентриситеты и совместные ширины плиты.

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

Для «Расположения рёбер» список предоставляет несколько вариантов выбора.

Ребро, как правило, представляет собой эксцентрично расположенный стержень. Эксцентриситет автоматически определяется из половины толщины поверхности и половины высоты стержня. Однако его можно задать и вручную. Эксцентриситет ребра повышает жёсткость модели. При центральном расположении продольная ось ребра находится в середине поверхности.

Совместные ширины ребра для левой и правой стороны нужно задать в разделе «Размеры полки». В большинстве случаев можно сохранить настройку «Найти автоматически», при которой программа определяет обе поверхности. Если на линии стержня типа «Ребро» сходится более двух поверхностей, определяющие поверхности необходимо задать вручную.

Для ввода совместных ширин b_-y,int и b_+y,int существуют различные возможности (см. изображение Новое ребро): Ширины можно ввести напрямую или автоматически определить по длине стержня с помощью опций L_ref / 6 и L_ref / 8. Их также можно определить согласно требованиям нормы, например по разделу 5.3.2.1 «EC2».

Значения b_y,int определяют ширину поверхности или зоны, по которой должны интегрироваться внутренние силы. Значения b_y,eff представляют ширину сечения полки ребра от середины стенки до соответствующего края. По умолчанию b_y,int и b_y,eff равны. Однако после нажатия кнопки их можно задать отдельно.

Если определены узлы типа «Узел на стержне», ребро можно задать по участкам для отдельных сегментов. Если определено несколько сегментов, смещённые зоны ширин можно линеаризованно соединить друг с другом через столбец таблицы «Линейное распределение», чтобы предотвратить большие скачки жёсткости в стержне типа «Ребро».

В 3D-моделях совместные ширины не влияют на жёсткость, так как повышенная жёсткость учитывается эксцентричным стержнем. Однако совместные ширины влияют на распределение внутренних сил стержня и поверхности.

Стержень фермы

Стержень фермы 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 выводятся изгибающие и крутящие моменты от нагрузок на стержень.

Стержень фермы (только N)

Этот тип стержня фермы с жёсткостью E ⋅ A способен воспринимать нормальные силы в виде растяжения и сжатия. Выводятся только узловые внутренние силы. Стержень имеет линейный график внутренних сил, если к стержню не приложена сосредоточенная сила. Эпюра моментов, которая могла бы возникнуть вследствие собственного веса или линейной нагрузки, не выводится. Однако узловые силы вычисляются из нагрузок на стержень, благодаря чему обеспечивается корректная дальнейшая передача.

Раскос, устойчивый к потере устойчивости (Buckling-Restrained Brace)

Тип Buckling-restrained brace позволяет моделировать стержень со стальным ядром (плоская стальная полоса или крестообразное сечение) и бетонным заполненным покрытием в квадратном или круглом пустотелом профиле. Он применяется в первую очередь в США для повышения жёсткости зданий, подверженных землетрясениям.

Стальное ядро подвижно в бетонной оболочке без сцепления. При сжимающей нагрузке возникает «микро-потеря устойчивости» с высокими собственными формами, так как покрытие предотвращает глобальную потерю устойчивости всего стержня.

Для жёсткости стержня учитывается только стальное ядро, для автоматического собственного веса — также бетонная оболочка с внешней стальной обшивкой.

Распорка

Распорка может воспринимать только растягивающие силы. Тип стержня соответствует «Стержню фермы (только N)», который при сжимающей силе выходит из строя.

Расчёт стержневой системы с распорками выполняется итеративно: на первом шаге определяются внутренние силы всех стержней. Если распорки получают отрицательную нормальную силу (сжатие), запускается ещё один шаг итерации. Составляющие жёсткости этих стержней больше не учитываются — они вышли из строя. Этот процесс продолжается до тех пор, пока ни одна распорка больше не выйдет из строя. Система может стать нестабильной из-за выхода из строя распорок.

Сжатый стержень

Сжатый стержень может воспринимать только сжимающие силы. Тип стержня соответствует «Стержню фермы (только N)», который при растягивающей силе выходит из строя. Выходящие из строя сжатые стержни могут привести к нестабильной системе.

Стержень с потерей устойчивости

Стержень с потерей устойчивости соответствует «Стержню фермы (только N)», который неограниченно воспринимает растягивающие силы, а сжимающие — только до достижения критической силы. Для случая Эйлера 2 эта сила определяется следующим образом:

С этим типом стержня часто можно обойти нестабильности, которые возникают при нелинейном расчёте по анализу второго или большого деформаций из-за потери устойчивости стержней фермы. Если заменить их (реалистично) стержнями с потерей устойчивости, во многих случаях критическая нагрузка повышается.

Вантовый стержень

Трос может нагружаться только на растяжение. С его помощью можно моделировать тросовые цепи с помощью итеративного расчёта по анализу больших деформаций с учётом продольных и поперечных сил.

Вантовые стержни подходят для моделей, в которых могут возникать большие деформации с соответствующими изменениями внутренних сил. Для простых растяжек, как у навеса, распорок совершенно достаточно.

Арматурный стержень

С этим типом стержня можно моделировать гибкие стальные арматуры в модели КЭ железобетонного элемента. Так, например, можно исследовать области разрывности, основанные на стержневой аналогии (растяжка и сжатая диагональ у консолей, балки с отверстиями).

Арматурный стержень обладает автоматической функцией соединения с другими элементами, такими как стержни или поверхности, если он физически находится внутри элемента. Как и стержень фермы (только N), арматурный стержень имеет только касательную жёсткость. Нелинейная работа материала в настоящее время пока невозможна.

В разделе «Настройки» в качестве типа стержня установлена гибкая арматура. Другие типы арматурных стержней доступны, если активирован аддон Пучки ПНА.

В разделе «Главные объекты» назначьте стержни или поверхности, в которых находится арматурный стержень. Для этого используйте кнопку . Затем с помощью кнопки можно автоматически соединить арматурный стержень с главным объектом.

Трос на блоках

Этот тип вантового стержня также воспринимает только растягивающие силы и рассчитывается по теории тросов (анализ больших деформаций). Однако вантовый стержень на блоках можно определить только по полилинии, которая лежит в одной плоскости и имеет не менее трёх узлов. Этот тип стержня подходит для гибких на изгиб растянутых элементов, продольные силы которых передаются через точки отклонения по модели. Пример применения — полиспаст.

В отличие от обычного вантового стержня возможно только перемещение во внутренних узлах 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.

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

На вкладке «Блоки» можно задать дальнейшие параметры, такие как узлы отклонения и свойства шкивов. Из этих данных создаются узлы, вантовые и жёсткие стержни.

Результирующая балка

Результирующая балка подходит для интегрирования результатов поверхностей, тел или стержней в фиктивном стержне. Так, например, можно считать результирующие поперечные силы поверхности для расчёта кладки.

Линия результирующей балки может быть произвольно размещена в модели. Результирующая балка не требует ни опоры, ни соединения с моделью. Однако для возможности расчёта нужно назначить сечение. На результирующую балку нельзя приложить нагрузки.

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

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

Линия результатов

Линия результатов подходит для интегрирования результатов поверхностей, тел или стержней в линии. Эту линию можно произвольно разместить в модели.

Принцип соответствует результирующей балке. Однако назначать сечение не нужно. На вкладке «Сечение» можно считать длину линии и при необходимости повернуть линию для отображения результатов; других функций она не имеет.

Передача нагрузки

С этим типом стержня можно прикладывать нагрузки к объектам, соединённым со стержнем в концевых или промежуточных узлах. Сам стержень не имеет жёсткости. Критерии передачи нагрузки можно задать на новой вкладке.

Передача нагрузки в настоящее время выполняется методом полос. Нагрузка стержня передачи нагрузки — нагрузка на стержень или узловая нагрузка типа сила, момент или масса — распределяется пропорционально на ближайшие общие объекты конструкции. Это, например, опертые узлы, стержни, узлы поверхностей или опертые линии.

Если должен учитываться собственный вес стержня, можно в разделе «Параметры» задать вес стержня.

В разделе «Нагруженные объекты» указываются номера узлов, в которых нагрузка на стержень передаётся на прилегающие объекты. Если не все эти узлы являются релевантными, можно исключить определённые узлы в разделе «Без воздействия на».

Виртуальная балка

Этот тип стержня позволяет задать характеристики сечения для Open Web Steel Joists, которые Steel Joist Institute поместил в так называемых таблицах "Virtual Joist". Эти профили Virtual Joist представляют собой эквивалентные широкополочные балки, которые очень близки к поверхности полки балки, эффективному моменту инерции и весу. Таким образом, балка заменяется стержнем с виртуальным сечением. Так можно моделировать сложные несущие элементы, например решётчатую ферму, в общей системе.

В списке выберите «Серию» виртуальной балки.

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

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

Композитная балка

С этим типом стержня можно моделировать отдельные частичные сечения как отдельные стержни и соединять их друг с другом жёсткими соединениями. Композитное поведение может быть смоделировано как жёсткое на сдвиг, податливое на сдвиг или податливое. Соответствующая библиотека соединительных элементов предусмотрена для будущего расширения.

Определение составного сечения в настоящее время выполняется исключительно в RSECTION (см. главу Основы руководства RSECTION). Уже имеющиеся в библиотеке сечений составные сечения будут в более поздний срок перенесены на новую концепцию и, таким образом, также станут доступными. Для расчёта отдельных частичных сечений в будущем также предусмотрен единый рабочий процесс. Однако частичные сечения уже могут быть проверены в соответствующих аддонах расчёта.

Модель поверхности

Этот тип стержня подходит в первую очередь для отображения перфорированных балок или ослаблений сечения, таких как проёмы для технических коммуникаций, в стержневой модели. При этом стержень конвертируется в модель поверхности, в которой отверстия стержня располагаются согласно заданию пользователя. Однако стержень сохраняется. Должны быть выполнены следующие предпосылки:

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

У типа стержня «Модель поверхности» стержень присутствует как объект стержня и как объект поверхности. Геометрические свойства идентичны; обе модели имеют один и тот же центр тяжести. Отображение управляется в навигаторе «Отображение» через пункт Модель → Основные объекты → Стержни → Модель поверхности или с помощью кнопки на панели инструментов.

Сетка КЭ модели поверхности создаётся автоматически, в настоящее время на неё нельзя влиять. При статическом расчёте используется модель поверхности. Для оценки доступны как результаты стержня (как у результирующей балки, где напряжения частичных поверхностей стержня интегрируются во внутренние силы стержня), так и результаты поверхности. Управление здесь также можно выполнить через навигатор «Отображение» или кнопку .

Расчёт стержня типа «Модель поверхности» в аддонах выполняется с внутренними силами стержня и сечением стержня.

Как видно на изображении выше, на концах стержня модели поверхности возникают несколько жёстких стержней. Они соединяют модель поверхности с концевыми узлами прилегающих стержней. Тем самым гарантируется корректная передача внутренних сил к 1D-объектам. Если несколько стержней модели поверхности примыкают друг к другу, эти соединительные стержни создаются для каждого стержня.

В этом случае задайте для нагрузки на стержень эксцентриситет силы на сечении. Нагрузка прикладывается реалистично на краю сечения и сохраняется также в модели поверхности.

Жёсткость

С этим типом стержня можно использовать стержень с заданными пользователем жёсткостями. Значения жёсткостей задаются в диалоговом окне «Новая жёсткость стержня» (см. главу Жёсткости стержней).

Соединение

Соединительный стержень — это виртуальный, очень жёсткий стержень с жёсткими или шарнирными концами. Есть четыре варианта для выбора, чтобы соединить степени свободы начального и концевого узлов «Жёстко» или через «Шарнир». С помощью соединений можно моделировать особые ситуации передачи сил и моментов. При этом нормальные и поперечные силы либо крутящие и изгибающие моменты передаются напрямую от узла к узлу.

Пружина

Стержень типа «Пружина» предоставляет возможность моделировать линейные, а также нелинейные свойства пружины с задаваемыми зонами действия. Для стержня типа «Пружина» на вкладке «Сечение» нужно задать только длину стержня L_z, а не сечение: жёсткость стержня вытекает из параметров пружины, которые вы задаёте в диалоговом окне «Новая пружина стержня» (см. главу Пружины стержней).

Амортизатор

Амортизатор по сути соответствует стержню типа «Пружина» с дополнительным свойством «Коэффициент демпфирования». Этот тип стержня расширяет возможности для динамического расчёта по анализу изменений во времени.

Как и у стержня типа «Пружина», на вкладке «Сечение» нужно задать только длину стержня L_z, а не сечение. Жёсткость стержня вытекает из параметров пружины, которые вы задаёте в диалоговом окне «Новая пружина стержня» (см. главу Пружины стержней). Свойства демпфирования можно регулировать с помощью коэффициента демпфирования X.

Опции

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

Узел на стержне

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

Шарниры

На стержне можно расположить шарниры, чтобы управлять передачей внутренних сил в концевых узлах (см. главу Шарниры стержня). Для определённых типов стержней ввод заблокирован, так как уже имеются внутренние шарниры. Можно отдельно назначить шарниры «Началу стержня i» и «Концу стержня j».

Эксцентриситеты

Эксцентриситеты позволяют присоединить стержень к концевым узлам внецентренно (см. главу Эксцентриситеты стержней). Можно отдельно назначить эксцентриситеты «Началу стержня i» и «Концу стержня j».

Опоры

Стержню можно назначить опору, действующую по всей его длине. Степени свободы и жёсткости пружин задаются в условиях опирания (см. главу Опоры стержней).

Поперечные рёбра

Поперечные рёбра на стержне влияют на жёсткость стержня на депланацию. Они влияют на расчёт с депланацией при кручении с учётом семи степеней свободы (см. главу Поперечные рёбра стержней).

Отверстия стержня

Отверстия стержня влияют на значения сечения и график внутренних сил. Они релевантны для типа стержня «Модель поверхности». В главе Отверстия стержня описано, как задать тип и расположение отверстий.

Нелинейность

Стержню можно назначить нелинейность. Нелинейные свойства задаются как нелинейности стержня (см. главу Нелинейности стержней).

Промежуточные точки результатов

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

Модификации концов

С помощью модификаций концов можно графически адаптировать геометрию стержня на его концах. Так можно подготовить для рендерингового отображения выступы, укорочения или фаски.

«Удлинение»: для начала стержня и конца стержня можно задать «удлинение». Отрицательное значение Δ действует как укорочение.

«Наклон»: с помощью наклона можно выполнить фаску на каждом конце 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

Флажок позволяет распределить нагрузку стержня — независимо от жёсткости стержня — с помощью передачи нагрузки. При этом стержень действует в модели своей жёсткостью. Распределение нагрузки на соседние объекты, напротив, управляется параметрами, которые можно задать на вкладке Передача нагрузки.

Деактивировать для расчёта

Если установить этот флажок, стержень вместе с нагрузкой не учитывается в расчёте. Так можно исследовать, как изменяется несущее поведение модели, если определённые стержни не действуют. Стержни не нужно удалять; нагрузки также сохраняются.

Оценка стоимости

Оценка стоимости, как правило, выполняется со стоимостью материала, назначенного стержням сечения (см. главу Материалы). Если для стержня должны действовать специфические параметры, можно задать штучные затраты и единицы отдельно на вкладке «Оценка стоимости». Принцип соответствует порядку, описанному для сечений.

Оценка выбросов CO₂

Оценка выбросов CO₂ также обычно основана на материале сечения. Однако удельные выбросы и единицы на вкладке «Оценка выбросов CO₂» можно задать индивидуально для каждого стержня. Принцип описан в главе Сечения для выбросов определённых сечений.