Основы

Вкладка Основные управляет основными параметрами стержня. Если в разделе 'Параметры' установить флажок, обычно добавляется еще одна вкладка диалогового окна. Здесь можно определить детали.

Тип стержня

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

Балочный стержень

Балка — это стержень, жесткий на изгиб, который может передавать все внутренние силы. Балочный стержень не имеет шарниров на своих концах. Этот тип стержня может быть нагружен всеми видами нагрузок.

Жесткий стержень

Жесткий стержень связывает перемещения двух узлов посредством жесткого соединения. Поэтому он в принципе соответствует соединению. Это позволяет определять стержни с очень большой жёсткостью с учетом шарниров, которые также могут иметь жёсткость пружин и нелинейности. Численные проблемы практически не возникают, поскольку жёсткости адаптированы к системе.

Для жестких стержней выводятся внутренние силы, если в Навигаторе - Результаты внизу в категории 'Стержни' активировать Результаты для соединений.

Для жестких стержней применяются следующие жёсткости:

Ребро

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

Рёбра в первую очередь подходят для железобетонных стержней, поскольку внутренние силы ребра и сечения рёбер влияют на рсчёт железобетонных конструкций. Стальной лист с приваренным "ребром" следует моделировать как поверхность с эксцентрично прикрепленным стержнем.

Для 'Расположения ребра' список предлагает несколько вариантов выбора.

Ребро, как правило, представляет собой эксцентрично расположенный стержень. Экцентриситет автоматически определяется из половины толщины поверхности и половины высоты стержня. Однако его также можно определить вручную. Экцентриситет ребра увеличивает жёсткость модели. При центрическом расположении ось тяжести ребра лежит в срединной плоскости поверхности.

Эффективную ширину ребра необходимо определить в разделе 'Размеры полок' для левой и правой стороны. В большинстве случаев можно сохранить настройку 'Автоматическое определение', с помощью которой программа определяет две поверхности. Если на линии ребра сходятся более двух поверхностей, релевантные поверхности необходимо указать вручную.

Для ввода значений ширины интегрирования b_-y,int и b_+y,int существуют различные возможности (см. рисунок Новое ребро): значения ширины 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 норматива, например, согласно разделу 5.3.2.1 'EC2'.

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

Если были определены узлы типа 'Узел на стержне', ребро можно определить по участкам для отдельных сегментов. Если определено несколько сегментов, смежные области ширины можно линейно соединить друг с другом с помощью столбца таблицы 'Линейное распределение', чтобы предотвратить большие скачки жёсткости в ребре.

В 3D-моделях эффективная ширина не влияет на жёсткость, поскольку повышенная жёсткость учитывается за счет 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. Кроме того, вращение вокруг продольной оси в начале стержня освобождается шарниром φ_x. При этом типе стержня выводятся изгибающие и крутящие моменты от нагрузок на стержень.

Ферменный стержень (только N)

Этот тип ферменного стержня с жёсткостью E ⋅ A способен воспринимать нормальные силы в виде растяжения и сжатия. Выводятся только узловые внутренние силы. Стержень имеет линейное распределение внутренних сил, если на стержень не действует сосредоточенная нагрузка. Не выводится эпюра моментов, которая могла бы возникнуть в результате собственного веса или линейной нагрузки. Однако узловые силы рассчитываются по нагрузкам на стержень, что обеспечивает правильную передачу.

Устойчивая к потере устойчивости связь (Buckling-Restrained Brace)

Тип Buckling-restrained brace позволяет моделировать стержень со стальным сердечником (плоский или крестообразный профиль) и заполненной бетоном оболочкой в квадратном или круглом пустотелом профиле. Он используется, в частности, в США для усиления зданий, подверженных землетрясениям.

Стальной сердечник подвижен в бетонной оболочке без сцепления. При сжатии происходит "микропотеря устойчивости" с высокими собственными формами, поскольку оболочка предотвращает глобальную потерю устойчивости всего стержня.

Для жёсткости стержня учитывается только стальной сердечник, для автоматического 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 выходит из строя при сжимающей силе.

Расчет системы с растянутыми стержнями выполняется итеративно: На первом этапе определяются внутренние силы всех стержней. Если растянутые стержни получают отрицательную нормальную силу (сжатие), запускается 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 выходит из строя при растягивающей силе. Выходящие из строя сжатые стержни могут привести к неустойчивой системе.

Стержень с потерей устойчивости

Стержень с потерей устойчивости соответствует 'Ферменному стержню (только N)', который неограниченно воспринимает 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 расчете по теории II или III порядка из-за потери устойчивости ферменных стержней. Если заменить их (реалистично) стержнями с потерей устойчивости, во многих случаях критическая нагрузка увеличивается.

Вантовый стержень

Ванта может воспринимать только растягивающие силы. Это позволяет моделировать вантовые системы с помощью итерационного расчета по анализу больших деформаций с учетом продольных и поперечных сил.

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

Арматурный стержень

Этот тип стержня позволяет моделировать ненапрягаемую арматуру в модели МКЭ железобетонного элемента. Таким образом можно исследовать, например, области разрыва, основанные на аналогии фермы (растянутая и сжатая диагональ в консолях, балки с отверстиями).

Арматурный стержень имеет функцию 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 касательную жёсткость. Нелинейная работа материала пока невозможна.

В разделе 'Настройки' установлен тип стержня "ненапрягаемая арматура". Другие типы арматурных стержней доступны, если активировано дополнение Пучок ПНА.

В разделе 'Основные объекты' назначьте стержни или поверхности, в которых находится арматурный стержень. Для этого используйте кнопку . С помощью кнопки можно затем автоматически соединить арматурный стержень с основным объектом.

Ванта на блоках

Этот тип вантового стержня также воспринимает только растягивающие силы и рассчитывается по теории вант (анализ больших деформаций). Однако ванта на блоках может быть определена только на полилинии, имеющей не менее трех узлов. Поэтому этот тип стержня подходит для гибких на изгиб растянутых элементов, продольные силы которых передаются через модель через точки отвода. Примером применения является полиспаст.

В отличие от обычного вантового стержня, во внутренних узлах возможно только перемещение в продольном направлении (u_x). Поэтому стержень нельзя нагружать 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, есть ли узловая опора или стержень соединен с другой конструкцией: Исследуется вся система вантового стержня по длине полилинии.

Результирующая балка

Результирующая балка подходит для интегрирования результатов поверхности, объема или стержня в фиктивную балку. Это позволяет, например, считывать результирующие поперечные силы поверхности для проверки каменной кладки.

Линия результирующей балки может быть размещена в модели произвольно. Результирующая балка не нуждается ни в опоре, ни в соединении с моделью. Однако для возможности расчета необходимо назначить сечение. К результирующей балке нельзя прикладывать нагрузки.

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

В разделе 'Включить объекты' определите поверхности, ячейки поверхности, объемные тела и стержни, результаты которых должны учитываться при интегрировании. В качестве альтернативы выберите 'Все' объекты, а затем исключите определенные элементы в разделе 'Исключено из включенных объектов'.

Линия результатов

Линия результатов подходит для интегрирования результатов поверхности, объема или стержня в линию. Эта линия может быть размещена в модели произвольно.

Принцип соответствует Результирующей балке. Однако здесь не нужно назначать сечение. На вкладке 'Сечение' можно прочитать длину линии и, при необходимости, повернуть линию для отображения результатов; других функций у неё нет.

Передача нагрузки

С помощью этого типа стержня можно прикладывать нагрузки к объектам, которые соединены со стержнем в конечных или промежуточных узлах. Сам стержень не имеет жёсткости. Критерии передачи нагрузки можно определить на новой вкладке.

В настоящее время передача нагрузки осуществляется полосовым методом. 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, закрепленные узлы, стержни, узлы поверхностей или закрепленных линий.

Если необходимо учитывать собственный вес стержня, можно определить вес стержня в разделе 'Параметры'.

В разделе 'Нагруженные объекты' указываются номера узлов, в которых нагрузка на стержень передается на примыкающие объекты. Если не все эти узлы релевантны, можно исключить определенные узлы в разделе 'Без воздействия на'.

Виртуальная балка

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

Выберите 'Серийный ряд' виртуальной балки из списка.

Затем в списке 'Виртуальная балка' 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 моделирования балок с отверстиями и ячеистых балок или местных редукций сечения, таких как проемы для инженерных коммуникаций в стержневой модели. При этом стержень преобразуется в модель поверхности, в которой Отверстия в стержнях расположены в соответствии со спецификацией пользователя. Однако сам стержень сохраняется. Должны быть выполнены следующие условия:

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

При типе стержня 'Модель поверхности' стержень существует и как стержневой, и как поверхностный объект. Геометрические свойства идентичны; обе модели имеют один и тот же центр тяжести. Отображение контролируется в Навигаторе - Отображение через запись Модель → Основные объекты → Стержни → Модель поверхности или кнопку на панели инструментов.

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

Расчет стержня типа 'Модель поверхности' в дополнениях выполняется с использованием внутренних сил стержня и сечения стержня.

Как показано на рисунке выше, на концах стержня типа 'Модель поверхности' создается несколько Жестких стержней. Они соединяют модель поверхности с конечными узлами примыкающих стержней. Это обеспечивает правильную передачу внутренних сил к 1D-объектам. Если несколько стержней типа 'Модель поверхности' примыкают друг к другу, эти стяжки создаются для каждого стержня.

В этом случае определите для нагрузки на стержень эксцентриситет силы в сечении. Таким образом, нагрузка реалистично прикладывается к краю сечения и сохраняется в модели поверхности.

Жёсткость

С помощью этого типа стержня можно использовать стержень с определяемыми пользователем жёсткостями. Характеристики жёсткости определяются в диалоговом окне 'Новая жёсткость стержня' (см. главу Жёсткости стержней).

Соединение

Стяжка — это виртуальный, очень жёсткий стержень с жёсткими или шарнирными концами стержня. Доступны четыре варианта для соединения степеней свободы начального и конечного узлов '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 моделирования линейных или нелинейных свойств пружины с определяемыми рабочими диапазонами. Для пружинного стержня на вкладке 'Сечение' нужно задать только длину стержня L_z, сечение не требуется: жёсткость стержня определяется параметрами пружины, которые задаются в диалоговом окне 'Новая пружина стержня' (см. главу Пружины стержней).

Демпфер

Демпфер в принципе соответствует пружинному стержню с дополнительным свойством 'Коэффициент демпфирования'. Этот тип стержня расширяет возможности динамического анализа с помощью Анализа изменений во времени.

Как и для пружинного стержня, на вкладке 'Сечение' нужно задать только длину стержня L_z, сечение не требуется. Жёсткость стержня определяется параметрами пружины, которые задаются в диалоговом окне 'Новая пружина стержня' (см. главу Пружины стержней). Свойства демпфирования можно контролировать с помощью коэффициента демпфирования X.

Параметры

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

Узлы на стержне

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

Шарниры

На стержне можно расположить шарниры, чтобы управлять передачей внутренних сил в конечных узлах (см. главу Шарниры стержней). Для определенных типов стержней ввод заблокирован, поскольку уже имеются внутренние шарниры. Можно назначить шарниры отдельно для 'Начала стержня i' и 'Конца стержня j'.

Эксцентриситеты

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

Опора

Стержню можно назначить опирание, которое действует по всей его длине. Степени свободы и жёсткости пружин определяются в условиях опирания (см. главу Стержневые опоры).

Поперечные жесткости

Поперечные жесткости на стержне влияют на жёсткость стержня при депланации. Они влияют на расчет с учетом депланации при кручении с семью степенями свободы (см. главу Поперечные жесткости стержней).

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 стержнях описано, как определить тип и расположение отверстий.

Нелинейность

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

Промежуточные точки результатов

С помощью промежуточных точек результатов можно управлять выводом результатов в таблице вдоль стержня. Точки деления определяются в диалоговом окне 'Новая промежуточная точка результата стержня' (см. главу Промежуточные точки результатов стержня).

Концевые модификации

С помощью концевых модификаций можно графически адаптировать геометрию стержня на его концах. Это позволяет подготовить свесы, укорочения или скосы для визуализированного представления.

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

'Наклон': С помощью наклона можно скостить каждый конец стержня. Возможны углы наклона вокруг обеих осей стержня y и z. Положительный угол вызывает вращение 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 действует в модели благодаря своей жёсткости. Однако распределение нагрузки на соседние объекты контролируется параметрами, которые можно установить на вкладке Передача нагрузки.

Деактивировать для расчета

Если установить этот флажок, стержень, включая нагрузку, не будет учитываться при расчете. Это позволяет исследовать, как изменяется несущая способность модели, если определенные стержни неэффективны. Стержни не нужно удалять; нагрузки также сохраняются.