Шарниры стержней

Шарнир стержня ограничивает внутренние силы, которые передаются от одного стержня другим стержням. Шарниры могут располагаться только на конце стержня, а не в точках вдоль стержня.

Некоторые типы стержней уже оснащены шарнирами: Например, ферменный стержень не передаёт моменты, а вантовый стержень не передаёт ни моменты, ни поперечные силы. таким типам стержней нельзя назначить шарниры. Ввод заблокирован.

Диалоговое окно «Новый шарнир стержня»

Базовые

На вкладке Базовые управляются основные параметры шарнира.

Система координат

Шарнир стержня может быть отнесён к одной из следующих систем осей:

• Локальная система осей стержня x,y,z
• Глобальная система координат X,Y,Z (опционально как шарнир сдвига)
• Пользовательская система осей U,V,W

Как правило, шарниры отнесены к локальной системе осей стержня. Однако шарниры сдвига (см. изображение Пересечение стержней) возможны только в глобальной или пользовательской системе осей.

Условия шарнира

Условия шарнира разделены на «трансляционные» и «вращательные» степени свободы. Первые описывают перемещения в направлении локальных или глобальных осей, вторые — повороты вокруг этих осей.

Для определения шарнира отметьте флажок для соответствующей оси. Флажок символизирует, что перемещение или поворот стержня в соответствующем направлении или вокруг него возможны. Константа поступательной или крутильной пружины при этом устанавливается на нуль. Вы можете в любой момент скорректировать «Жёсткость пружины», чтобы смоделировать упругий шарнир. Введите жёсткости пружины как расчётные значения.

В столбце Нелинейность вы можете целенаправленно управлять передачей внутренних сил для каждого компонента. В зависимости от степени свободы в списке нелинейностей для выбора доступны соответствующие записи.

Выбор шарнирной нелинейности

Жёстко, если внутренняя сила отрицательна или положительна

Это позволяет простым способом управлять тем, передаются ли на конце стержня только положительные или отрицательные силы или моменты. Например, шарнир u_x с нелинейностью «Жёстко, если N положительна» означает, что на конце стержня передаются растягивающие силы (положительные), но не сжимающие силы (отрицательные). При отрицательных нормальных силах, таким образом, действует шарнир.

При локальной системе координат внутренние силы отнесены к локальной системе осей стержня xyz.

Если выбрать другую нелинейность, вы можете определить параметры на вкладках Частичное действие, Диаграмма, Трение или Диаграмма лесов.

Опции

«Шарнир сдвига» доступен в глобальной или пользовательской системе координат. С его помощью можно смоделировать пересечение сквозных стержней.

Пример

К узлу примыкают четыре стержня. Стержни передают моменты в направлении своего «прохождения», но не на другую пару стержней. В узле передаются только нормальные и поперечные силы.

Пересечение стержней с помощью ножничного шарнира

Назначьте шарнир либо стержням 3 и 4, либо стержням 1 и 2. Другая пересекающаяся пара стержней не получает шарнира.

Частичное действие

Частичное действие компонента шарнира доступно как нелинейное свойство шарнира стержня (см. изображение Выбор нелинейности шарнира).

Определение частичной активности шарнира

Определите действие шарнира для «Отрицательной области» и «Положительной области». В списке «Тип» доступны различные критерии действия шарнира.

• Полностью: Перемещение или поворот посредством шарнира возможны в полном объёме.
• Жёстко с момента освобождения перемещения/освобождения поворота: Шарнир действует только до определённого перемещения или поворота. При превышении вступает в силу жёсткое соединение или защемление.
• Разрыв с момента освобождения силы/освобождения момента: Шарнир действует только до определённой силы или момента. При превышении шарнир выходит из строя и больше не передаёт внутреннюю силу.
• Текучесть с момента освобождения силы/освобождения момента: Шарнир действует только до определённой силы или момента. При превышении деформации увеличиваются, но внутренняя сила — больше нет.
• Отказ пружины: При шарнире с жёсткостью пружины компонент шарнира не действует.

Большинство типов шарниров совместимы с «Проскальзыванием», благодаря которому шарнир вступает в действие только после определённого перемещения или поворота.

Диаграмма

Диаграмма компонента шарнира доступна как нелинейное свойство шарнира (см. изображение Выбор нелинейности шарнира).

Определение диаграммы жесткости

Определите в столбце «Перемещение» или «Поворот» количество точек определения рабочей диаграммы с соответствующими значениями. В столбце «Сила» или «Момент» затем можно сопоставить значения абсцисс перемещений или поворотов с силами или моментами шарнира.

Для «Начала диаграммы» и «Конца диаграммы» доступны следующие критерии:

• Разрыв: Шарнир действует только до максимального значения силы или момента. При превышении наступает полное действие шарнира. Внутренняя сила больше не передаётся.
• Текучесть: Шарнир действует только до максимального значения силы или момента. При превышении деформации увеличиваются, но внутренние силы — больше нет.
• Непрерывно: За пределами области определения применяется жёсткость пружины последнего шага.
• Упор: Допустимая деформация ограничивается максимальным значением перемещения или поворота. При превышении действие шарнира отменяется и вступает в силу жёсткое соединение или защемление.

Трение

В списке «Нелинейность» доступны четыре возможности для определения трения трансляционного шарнира в зависимости от другого компонента шарнира (см. изображение Выбор нелинейности шарнира).

Определение коэффициентов трения

Передаваемые силы шарнира ставятся в отношение к нормальным или поперечным силам, действующим в другом направлении. В зависимости от выбора на вкладке «Базовые» трение зависит от одной или двух внутренних сил. Между силой трения шарнира и нормальной силой или поперечной силой существует следующая связь:

Пластичный

Пластичные свойства шарниров важны для диаграммных методов расчёта. При опции Пластичный нелинейно действующего компонента шарнира доступны четыре возможности (см. изображение Выбор нелинейности шарнира):

• Билинейный
• Диаграмма
• FEMA 356 | Жёсткий
• FEMA 356 | Упругий

Задать пластический шарнир с билинейными свойствами

Определите в столбцах «"Внутренняя сила" / "Внутренняя сила"_тек» и «δ / δ_тек» или «φ / φ_тек» характеристики пластичных областей. При значении M_y / M_y,тек, например, 1.27 сечение начинает течь при превышении пластичного момента. При превышении 127 % пластичной несущей способности стержень выходит из строя.

Пластичные предельные внутренние силы автоматически определяются из характеристик сечения стержня.

Длина стержня влияет на расчёт жёсткости пластичного шарнира. Как правило, она автоматически распознаётся из длин стержней, которым назначен шарнир. При необходимости вы можете указать для шарнира «Пользовательскую длину стержня».

Критерии приемлемости

В нижнем разделе вы можете определить предельные значения критериев текучести, которые должны применяться для безопасности здания. Например, для стальных конструктивных элементов они регулируются в таблице 5-5 нормы ASCE FEMA 356 [1]. Так, при значении φ / φ_тек 6.000 критическое значение для «Безопасности жизни» достигается, как только пластические деформации становятся в шесть раз больше тех, которые возникают при достижении предела текучести.

Области критериев приемлемости также отображаются на диаграмме.

При одной из двух пластичных опций FEMA критерии приемлемости предустановлены согласно требованиям американской нормы. Вы можете при необходимости адаптировать их, отметив флажок «Пользовательский».

Определите пластиковый шарнир по FEMA 356

Определите в списке «Тип компонента». Критерии приемлемости для первичных и вторичных компонентов регулируются в [1] таблице 5-5.

В специальной статье Пластичные шарниры в RFEM 6 описано, как можно использовать пластичный шарнир для диаграммного метода расчёта.

Диаграмма лесов

Диаграмма лесов компонента шарнира доступна как нелинейное свойство шарнира (см. изображение Выбор нелинейности шарнира). С её помощью можно отобразить механическое действие вставного трубчатого соединения с внутренним трубчатым патрубком между двумя стержнями. Замещающая модель передаёт — в зависимости от состояния сжатия на конце стержня — изгибающий момент через обжимную наружную трубу и, дополнительно, за счёт замыкания по форме через внутренний трубчатый патрубок.

Свойства шарнира можно описать раздельно на вкладках «Диаграмма лесов | Внутренняя труба» и «Диаграмма лесов | Наружная труба».

Задать диаграмму лесов для внешней трубы

Для определения параметров доступны возможности, представленные в разделе Диаграмма.