Сбор нагрузок на поперечную раму
Ширина грузовой площади поперечной рамы равна шагу поперечных рам bf = 6,0 м (рис. 1).
Расчетные погонные нагрузки на поперечную раму:
Постоянная G = g bf gn = 3,58 × 6,0 × 0,95 = 20,4 кН/м,
где g – расчетная нагрузка от собственного веса плиты перекрытия и пола (значение взять из сбора нагрузок на плиту перекрытия).
Собственный вес стоек и ригелей поперечной рамы учитывается в ПВК SCAD нажатием кнопки «Собственный вес».
Технологическая (полезная)
V = v gf bf gn = 7,0 × 1,2 × 6,0 × 0,95 = 48 кН/м,
где gf – коэффициент надежности по нагрузке, определяется по п. 3.6 [2].
Снеговой и ветровой районы определяются в зависимости от места строительства по картам [2].
Величины снеговых и ветровых нагрузок определяются по прил. 1, табл. П.1.1; П.1.2.
Снеговой район – II, расчетная снеговая нагрузка на горизонтальную поверхность sg = 1,2 кПа.
Снеговая S = sg bf gn = 1,2 × 6,0 × 0,95 = 6,8 кН/м.
Ветровая нагрузка на здания и сооружения определяется как сумма статической и динамической составляющих. Статическая составляющая ветровой нагрузки учитывается во всех случаях.
Ветровой район – III, нормативная ветровая нагрузка w0 = 0,38 кПа.
Ветровая q = с w0 кеd bf gf gn,
где с – аэродинамический коэффициент, определяется по [2].
Рис. 1. Конструктивная схема здания. План
Рис. 2. Конструктивная схема здания. Разрез
Коэффициент кеd учитывает изменение давления ветра по высоте, определяется в зависимости от высоты здания по прил. 1, табл. П.1.3.
Высота здания от уровня земли 0,15 м + 3 × 4,8 м + 0,85 м = 15,4 м (рис. 2).
Для высоты здания 15,4 м и для типа местности «В» (тип местности студент назначает самостоятельно) по прил. 1 табл. П.1.3 линейной интерполяцией кеd = 0,98.
qакт = 0,8 × 0,38 × 0,98 × 6,0 × 1,4 × 0,95 = 2,4 кН/м,
qпасс = 0,6 × 0,38 × 0,98 × 6,0 × 1,4 × 0,95 = 1,8 кН/м.
Схемы загружения поперечной рамы внешними нагрузками представлены на рис. 3.
.
Рис. 3. Варианты загружения поперечной рамы внешней нагрузкой:
1 – постоянные нагрузки (собственный вес); 2 - 5 – технологическая (полезная) нагрузка;
6 – снеговая нагрузка; 7 – ветровая нагрузка слева; 8 – ветровая нагрузка справа
На основе конструктивной схемы здания (рис. 2) определяется геометрическая схема поперечной рамы (рис. 4).
Рис. 4. Геометрическая схема поперечной рамы
Многоэтажная железобетонная рама статически неопределима, и для ее расчета необходимо предварительно задать сечения ригелей и стоек. Сечения стоек назначаются 400х400, 400х600 или 600х600 мм, в зависимости от этажности и величины технологической нагрузки: чем больше этажей и величина технологической нагрузки, тем мощнее должно быть сечение колонны.
Высота сечения ригелей h может быть назначена 400, 500, 600 мм. Ширина сечения ригелей b = 0,4-0,5h, при этом также должна обеспечиваться минимальная величина опирания плит перекрытия по верху ригеля. Таким образом, минимальная ширина сечения ригеля 250 мм.
В этом примере приняты колонна с размерами поперечного сечения 600 х 400 мм и ригель с размерами поперечного сечения 600 х 250 мм
Статический расчет многоэтажной рамы выполняется методом конечных элементов (МКЭ) в проектно-вычислительном комплексе Structure CAD.
Проектно-вычислительный комплекс Structure CAD (ПВК SCAD) предназначен для численного исследования на ЭВМ напряженно-деформированного состояния и устойчивости конструкций, а также и для автоматизированного выполнения ряда процессов конструирования. ПВК SCAD обеспечивает исследование широкого класса конструкций: пространственные стержневые системы, произвольные пластинчатые и оболочечные системы, мембраны, массивные тела, комбинированные системы - рамно-связные конструкции высотных зданий, плиты на грунтовом основании, ребристые пластинчатые системы, многослойные конструкции. Расчет выполняется на статические и динамические нагрузки. Статические нагрузки моделируют силовые воздействия от сосредоточенных или распределенных сил или моментов, температурного нагрева и перемещений отдельных областей конструкции. Динамические нагрузки моделируют воздействия от землетрясения, пульсирующего потока ветра, вибрационные воздействия от технологического оборудования, ударные воздействия.
Проектно-вычислительный комплекс Structure CAD реализует численный метод дискретизации сплошной среды методом конечных элементов. Этот метод хорошо адаптирован к реализации на ЭВМ. По единой методике рассчитываются стержневые, пластинчатые и комбинированные системы. Удобно моделируются разнообразные граничные условия и нагрузки.
Основными этапами решения задач по методу конечных элементов являются:
- расчленение исследуемой системы на конечные элементы и назначение узловых точек, в которых определяются узловые перемещения;
- построение матриц жесткости;
- формирование системы канонических уравнений, отражающих условия равновесия в узлах расчетной системы;
- решение системы уравнений и вычисление значений узловых перемещений;
- определение компонентов напряженно-деформированного состояния исследуемой системы по найденным значениям узловых перемещений.
В ПВК SCAD автоматизированы все этапы решения задач по МКЭ, в том числе и процесс генерации сетки конечных элементов.
В ПВК SCAD включено большое количество типов конечных элементов: стержни, четырехугольные и треугольные элементы плиты, оболочки (изотропный и ортотропный материал, многослойные конструкции), четырехугольные и треугольные элементы плиты на упругом основании; пространственные элементы в виде тетраэдра, параллелепипеда, восьмигранника общего вида; одномерный и двумерные (треугольный и четырехугольный) элементы для решения осесимметричной задачи теории упругости; специальные элементы, моделирующие связь конечной жесткости, упругую податливость между узлами; элементы, задаваемые численной матрицей жесткости.
Универсальность и легкая адаптация к проблеме позволяют применять Structure CAD при автоматизации проектирования различных инженерных объектов.
В программном комплексе Structure CAD реализованы строительные нормы и правила, действующие в момент разработки программы.
В результате расчета определены расчетные усилия и требуемое армирование элементов рамы.