CC BY
0УДК 62-4; 691
doi: 10.52470/2619046X_2023_3_34
ОСОБЕННОСТИ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
ПО МЕТАЛЛИЧЕСКИМ КОНСТРУКЦИЯМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Н.Н. Демидов, О.Н. Ракитова, В.Г. Меликова
Аннотация. В статье оценивается опыт проведения консультаций курсового проекта по курсу металлических конструкций с использованием современных компьютерных технологий. Обсуждаются проблемы, встречающиеся в процессе консультирования курсового проекта, который занимает центральное место в процессе обучения инженеров. Подробно разъясняются несколько важных ключевых моментов методики, которая сложилась у авторов в течение многих лет консультаций. В процессе проведения консультаций подразумевается регулярный очный контакт между преподавателем и студентом.
Ключевые слова: курсовой проект, компьютерные технологии, метод конечных элементов, графическая часть, сочетания нагрузок, подбор сечений.
FEATURES OF THE COURSE PROJECT ON METAL STRUCTURES USING MODERN COMPUTER TECHNOLOGIES
N.N. Demidov, O.N. Rakitova, V.G. Melikova
Abstract. The article evaluates the experience of conducting course project consultations on the course of metal structures using modern computer technologies. It discusses the problems encountered in the process of consulting a course project, which is central in the process of training engineers. Several important key points of the methodology that the authors have developed over many years of consultations are explained in detail. In the process of consultations, regular face-to-face contact between the teacher and the student is implied.
Keywords: course project, computer technology, finite element method, graphic part, load combinations, section selection.
Курсовой проект по металлическим конструкциям, предусмотренный в учебном плане, выполняется студентами ПГС (промышленного и гражданского строительства) всех форм обучения уже более 50 лет. Он содержит пояснительную записку с расчетами и чертеж формата А1. Значение и роль этого проекта для воспитания инженера-строителя трудно переоценить, поэтому его объем и содержание за эти годы хорошо продуман и остается без принципиальных изменений уже много лет.
Ключевую роль в становлении этого проекта в практику инженерной подготовки сыграли выдающиеся ученые МИСИ: профессора Н.С. Стрелецкий, Е.И. Беленя, А.И. Кикин, Е.Н. Лессиг, К.К. Муханов, Г.С. Ведеников, доценты Б.Н. Кошутин, А.А. Васильев и многие другие. Каждый учебник по металлическим конструкциям, выходящий в свет, содержит вопросы проектирования одноэтажного промздания с крановыми нагрузками. За эти годы произошло много переизданий учебника с его существенным обновлением, а также выпущено множество методичек по выполнению этого курсового проекта [1-4; 7].
Учебное пособие [5] ценно тем фактом, что оно содержит результаты расчетов в виде аналитических формул, полученных на основе классических методов расчета. Руководство
по проектированию [6] много лет было настольной книгой инженеров при реальном проектировании одноэтажных промзданий. Оно содержит все необходимые данные справочного характера для выполнения проекта.
Современные компьютерные технологии и основанные на них расчетные комплексы вносят существенный вклад в упрощение статического расчета стальной рамы, который раньше производился с помощью вспомогательных таблиц, широко представленных в [4; 5; 6].
В данной статье обращается внимание на принципиально новые особенности, которые вносятся при практическом выполнении расчетов с использованием компьютерных технологий.
Любая современная расчетная программа основывается на применении метода конечных элементов в матричной формулировке [1]. Количество публикаций, посвященных развитию и обоснованию метода конечных элементов, превышает несколько сотен наименований. Метод конечных элементов обусловил разработку новых подходов для решения задач статики и динамики, устойчивости, физической и геометрической нелинейности. Применение метода конечных элементов приводит к необходимости использования в процессе расчетов всех размеров и нагрузок в абсолютных величинах.
В частности, при проведении расчетов необходимо задаться эксцентриситетами от продольных сил в месте уступа колонны в абсолютных величинах (рисунок 1, таблица 1).
тяжести
Рисунок 1. Узел сопряжения верхней и нижней частей колонны с показом эксцентриситетов
Таблица 1
Грузоподъемность крана Эксцентриситет наружный Эксцентриситет крановый Ширина верхней части колонны Ширина нижней части колонны
^кр е е кр Ъ в Ъ н
Грузоподъемность крана в тоннах мм мм мм мм
< 50 250 500 500 1250
80; 100; 125 275 625 700-1000 1250-1500
>160 350 900 1000 1750-2000
Рекомендуемые в таблице 1 величины эксцентриситетов в качестве первого приближения удачно себя зарекомендовали при проведении практических расчетов.
Основным конструктивным элементом расчета в проекте является плоская стальная рама, с колоннами ступенчатого сечения жестко защемленных в местах сопряжения с железобетонными фундаментами. При расчете плоской рамы возможно применение четырех разных расчетных схем (рисунок 2-5).
Предложенная вариативность расчетных схем очень полезна для представления студентов о широких возможностях компьютерных технологий. Как показал опыт, в первом приближении наиболее удобна схема на рисунке 3. Несмотря на наиболее близкую к реальной схеме, схема на рисунке 5 обладает тем недостатком, что она требует заранее задать сечения всех элементов фермы, ветвей и решетки колонн, которые нам до проведения расчетов неизвестны.
Для расчета в первом приближении удобно рассмотреть схему на рисунке 3. При этом важно перед расчетом задать правильно соотношения изгибных жесткостей колоны и ригеля рамы в виде условного стержня конечной жесткости (таблица 2).
Рисунок 2. Расчетная схема для расчета рамы в первом приближении
Рисунок 3. Расчетная схема для приближенного расчета рамы (рекомендуемая)
Рисунок 4. Расчетная схема рамы, в которой стропильная ферма формируется более точно, а не в виде стержня с эквивалентной жесткостью, как на рисунках 2-3
Рисунок 5. Расчетная схема с решетчатым ригелем и решетчатой нижней частью колонны
Таблица 2
Условное поперечное сечение Часть рассчитываемой конструкции
50Ш1 Верхняя часть колонны
90Ш1 Нижняя часть колонны
2х100Ш1 сечение сварено в коробочку Ригель рамы
Принятые условные поперечные сечения стержней из прокатных двутавров вполне отвечают рекомендуемым соотношениям, представленным в учебнике [4].
Б1В/Е1Н = 0,08 - 0,2 и Б1Р/Е1Н = 2 - 4,
где Е - модуль упругости стали; 1В - момент инерции верхней части колонны; 1Н _ момент инерции нижней части колонны; .Гр _ момент инерции ригеля.
Важно, чтобы впоследствии (после подбора сечений), реальные соотношения моментов инерции были бы близки к первоначально принятым.
Таблица сочетаний требует внимательного анализа всех 27 эпюр от различных независимо действующих нагрузок. Применение расчетных программ позволяет легко получить результаты расчета этих эпюр в кратчайшее время. Именно на этом этапе, существенно сокращается количество времени на выполнение курсового проекта.
После создания таблицы сочетаний усилий и нахождением наиболее неблагоприятных, делается подбор сечений всех несущих элементов каркаса.
После этого шага для отдельных хорошо успевающих студентов целесообразно перейти к новой расчетной схеме - схеме на рисунке 5. При этом таблица сочетаний должна иметь иной более обширный вид и структуру.
Иными словами, в одном курсовом проекте рекомендуется использовать две различные расчетных схемы.
Смелым и оригинальным шагом был переход от традиционной диаграммы Кремоны к методу моментной точки при определении усилий в стержнях стропильной фермы [7]. У студента появляется возможность применить альтернативный прием расчета, что расширяет его технический кругозор и повышает профессиональную подготовку. Построение диаграммы Кремоны требует вычерчивания в масштабе фермы, и затем перенесение параллельных линий от фермы на диаграмму. Такая технология резко увеличивает время на определение усилий в стержнях и требует графической точности, поэтому переход на аналитические методы расчета существенно снижает трудоемкость без потери точности расчета.
На первом этапе расчета можно пренебречь эффектом пространственной работы каркаса. На втором этапе пространственную работу каркаса можно учесть, прейдя от рассмотрения плоских рам к пространственному каркасу, включая горизонтальные связи по нижним поясам стропильных ферм, расположенных вдоль здания. Именно эти связи и обеспечивают пространственную работу каркаса. При этом в расчетной схеме достаточно использовать 5-6 расчетных рам совместно работающие с продольными связями вдоль нижних поясов ферм. Такое пространственное представление стержневой конструкции возможно исключительно благодаря расчетным комплексам и этим очень удобно воспользоваться.
При этом мостовые краны должны наибольшим усилием, включая тормозные силы, нагружать наиболее опасную - вторую от торца здания раму.
Эффект пространственной работы каркаса сказывается только при расчете рамы на крановые нагрузки и никак не проявляется от других типов нагрузок (собственный вес, снег, ветер любого направления).
Несмотря на реальную возможность подбор сечений осуществить с использованием компьютерных технологий, мы стоим на той точке зрения, что именно подбор сечений вручную позволяет студенту вспомнить и использовать все основные формулы сопротивления материалов и сознательно прочувствовать конструктивную форму.
Таблицу сочетаний тоже можно запрограммировать для автоматического отыскания наиболее неблагоприятных сочетаний. Однако нам кажется, что если студент делает это вручную, то при этом не ускользает, а проясняется физический смысл выполняемых расчетов. Это очень важно для понимания смысла сочетания независимо действующих нагрузок. Именно здесь, в курсовом проекте, студент впервые встречается с понятием аварийных нагрузок и сейсмических воздействий, не говоря уже о применении принципа независимости действия сил и границ его использования. Именно здесь он встречается с практическим применением коэффициента сочетания нагрузок, который обоснован теорией вероятности. Такая глубокая связь со специальными вопросами высшей математики требует определенной математической культуры и широты мышления.
Только в таком контексте становятся понятны современные требования экспертизы на необходимость расчета несущих конструкций против прогрессирующего обрушения.
Все такого рода важные, хотя и смежные вопросы, требуют подробного разъяснения даже на лекциях.
Для повышения культуры расчетов студент обязан хорошо разбираться в системах физических единиц. Мы не рекомендуем использовать такие единицы расчета как Па, МПа, кПа и подобные, а разумно заменять их дробными единицами. Только дробные единицы позволяют производить сокращения размерностей в применяемых математических формулах, без каких либо трудностей. Приходится обращать на эту проблему повышенное внимание,
вплоть до демонстрации конкретных примеров расчета, поскольку основная масса студентов не владеет этими навыками.
Графическая часть проекта вынуждает студента освоить выполнение чертежей в той или иной графической программе. Образец чертежа выполнен в стадии КМ (конструкции металлические). В конце ХХ в. студенты ПГС МИСИ выполняли и второй чертеж _ чертеж стропильной фермы в стадии КМД (конструкции металлические деталировочные). Таким образом, раньше выпускники приобретали более глубокие знания по изготовлению металлических конструкций, чем сейчас. Стадия КМД тесно зависит от конкретного заводского оборудования и имеет свою специфику. Поэтому даже цепочка проставления размеров в строительных чертежах, отличается от простановки тех же размеров в машиностроении. Для многих студентов просматривается отношение к графической части проекта явно несерьезное и в процессе консультаций приходится кардинально менять их точку зрения на чертеж и его роль в комплекте документов.
Расчет и конструирование узлов требует обязательного эскизирования узла в пояснительной записке и соответствующего расчета сварных швов или болтов. При этом естественным требованием является полное совпадение конструктивной формы узла в эскизе и на чертеже. Более того, вначале должен выполняться эскиз конструктивного решения узла, а его расчет носит вторичный вспомогательный характер.
Полезно обратить внимание студента на конструктивное решение монтажных узлов стропильной фермы, у которой левая часть и правая симметричны и поэтому левая и правая полуфермы _ взаимно заменяемы. Такое конструктивное решение монтажного узла стропильной фермы уменьшает количество марок и отправочных элементов [8].
Специфика курсового проекта требует выдачи индивидуальных заданий для каждого студента, что всегда соблюдается. Варьируемыми параметрами при этом являются: пролет цеха, меняющийся от 24 до 36 м, грузоподъемность и режим работы крана, город, определяющий атмосферные нагрузки, длина здания, ограниченная длиной одного температурного отсека, и отметкой головки рельса. При этом рассматривается часто применяемый на практике, процесс одновременной работы двух максимально сближенных кранов.
Если обучающийся выполняет курсовой проект в его полном объеме и с полным пониманием, то это является залогом того, что он легко справится с любой темой будущего дипломного проекта. К выполнению графической части дипломного проекта студент, воспринявший указания преподавателя, также бывает достаточно хорошо подготовлен.
Все эти важные и непростые вопросы, затронутые в статье, могут быть полноценно рассмотрены и обсуждены только при личном контакте преподавателя и студента.
Совершенно особая ситуация возникает, если к выполнению курсового проекта приступает студент творчески ориентированный и хорошо усвоивший курс сопротивления материалов строительной механики. В этом случае имеет смысл предложить ему специальное задание повышенной сложности, например каркас здания с двумя ярусами кранов или двух пролетный цех. При этом студент понимает, что его как личность преподаватель заметил и это часто приводит к еще большему желанию справиться с проектом на высшем уровне, оправдав доверие. К сожалению, таких студентов встречается не более 2-3% от потока (4 группы), и не каждый учебный год.
Содержание и форма обсуждаемого курсового проекта представляет собой ценное историческое наследие. Проект должен быть не только сохранен в полном объеме, но и обогащен современными возможностями компьютерных программ. Кафедра строительства и городского хозяйства МИТУ _ МАСИ бережно хранит и развивает лучшие методические подходы к выполнению курсового проекта. Это особенно важно для специальности промышленного и гражданского строительства.
Библиографический список
1. Городецкий А.С., Барабаш М.С., Сидоров В.Н. Компьютерное моделирование в задачах строительной механики. М., 2016.
2. Клепиков Л.В., Уваров Б.Ю. Примеры расчета узлов. М.,1988.
3. Клепиков Л.В. Методические указания к выполнению курсового проекта «Стальной каркас одноэтажного производственного здания» М.,1982.
4. Металлические конструкции / под ред. Ю.И. Кудишина, 2007.
5. ПримакН.С. Расчет рамных конструкций одноэтажных промышленных зданий. Киев, 1972.
6. Руководство по проектированию. Стальные конструкции одноэтажных промышленных зданий. М., 1952.
7. Уваров Б.Ю., Окулов П.Д., Клепиков Л.В. Стальной каркас одноэтажного производственного здания. М.,1988.
8. Шерешевский И.А. Конструирование промышленных зданий и сооружений. М., 2012. Н.Н. Демидов
кандидат технических наук, доцент
доцент кафедры строительства и городского хозяйства
Московский информационно-технологический университет - Московский
архитектурно-строительный институт
О.Н. Ракитова
главный специалист ООО «АМЦ - Проект» E-mail: aeroport2010@rambler.ru
В.Г. Меликова
ведущий специалист-конструктор АО «МСУ-1»
E-mail: madcheese-h@yandex.ru
