CC BY
12Расчетная конечно-элементная модель холодногнутого
перфорированного тонкостенного стержня в программно-вычислительном комплексе SCAD Office
Магистрант А.О. Гордеева*; д.т.н., профессор Н.И. Ватин,
ГОУ Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Ключевые слова: моделирование; перфорированные профили; легкие стальные тонкостенные конструкции; SCAD Office.
Холодногнутые тонкостенные стальные профили активно применяются в строительстве. Так называемые легкие стальные тонкостенные конструкции (ЛСТК) стали распространенным конструктивным решением для малоэтажных строений, мансард, ограждающих конструкций многоэтажных зданий [1]. При моделировании тонкостенных конструкций из холодногнутых оцинкованных профилей [1,2,3,4,5] или многогранных гнутых стоек [6] активно используется интегрированная система SCAD Office.
SCAD Office представляет собой набор программ, предназначенных для выполнения прочностных расчетов и проектирования строительных конструкций различного вида. В состав системы, в частности, входят программы для создания пространственных моделей Форум, формирования и расчета геометрических характеристик сечений Консул, прочностного расчета конструкций SCAD [7]. Моделирование ЛСТК легко можно осуществить в Форуме, входящем в SCAD Office, или непосредственно в SCAD [2].
Тонкостенный профиль с продольной перфорацией основной полки (называемый часто термопрофилем) не образует мостики холода и, в сочетании с эффективным утеплителем, позволяет создавать конструкции стен, перекрытий и покрытий с высоким сопротивлением теплопередаче [4]. Моделирование такого просечного профиля и расчет конструкций из него представляет большую сложность, чем из непросечного [1,3,5], особенно если это профили, имеющие отверстия сложной формы на нескольких полках, используемые в стеллажных системах [8].
Основной задачей данной работы стала разработка методики построения конечно-элементных расчетных моделей таких профилей. Изложенная далее последовательность действий по построению модели отработана авторами при подробных консультациях руководителя коллектива разработчиков SCAD Office Э. З. Криксунова, за что авторы выражают ему глубокую благодарность.
Построение стержня с заданным профилем
Построение профиля начинают с вычерчивания его сечения отрезками в AutoCAD (или в иной графической программе), файл сохраняется в формате dxf. Затем dxf-файл с сечением профиля импортируют в программу-препроцессор Форум (рис. 1).
По отдельным отрезкам сечения производят
последовательное формирование полок профиля путем выбора функции «стена» во вкладке «схема» с заданием ей необходимых параметров (рис. 2). При этом длина стержня задается параметром «высота стены». Переходя последовательно от отрезка к отрезку (рис. 3), формируют профиль целиком (рис. 4).
Рисунок 1. Сечение профиля, импортированное в Форум
Рисунок 2. Параметры стен
Рисунок 3. Последовательное формирование профиля
Рисунок 4. Сформированный профиль без отверстий
Формирование отверстий
Формирование отверстий часто вызывает сложности у расчетчиков. Его начинают с выбора элемента (полки стержня), в котором выполняются отверстия (рис. 5).
Рисунок 5. Выбор элемента, который необходимо изменить
Далее отмечают плоскость, в которой предполагается формирование отверстий, и в левой панели программы Форум выбирают функцию «изменить». При активации этой функции происходит автоматический переход в программу Консул (рис. 6).
Рисунок 6. Выбранный элемент (полка) сечения, открытый в программе Консул
Для дальнейшей разметки сечения необходимо создать координатную сетку. Для этого на верхней панели выбирают функцию «шаг сетки», который и задают в открывшемся окне (рис. 7). Опцией «Показать/Спрятать сетку» делают сетку видимой.
Ц] Консул - [ДЛЯ СТАТЬИ]
1' Файл Редактирование Настройку Окно Сервис Справка - 1 В 1 X
Ы И I m г» X [Щн ft £] 1 «tSfOT—-g tf* ® ■-"'ТЛЩ Jj
-1 '1*1
J 4 -35 3 -25 2 1 05 0 05 1 15 2 25 3 35 4 «нИ>
рц
If Г1 г
[fift мм
1 0 и
1 Ш' 2S 1
э 28 PS
4 0 Ш
<-
Xj *J U для статьи]
Ожидание команды Габариты 28x600 мы 1-420 |-28
Рисунок 7. Задание шага сетки
В настройках задается привязка к сетке. Далее выбирают функцию «внутренний контур» и на элементе, ориентируясь на узлы сетки, задают отверстия необходимой формы (рис. 8). Необходимо помнить, что контур должен быть замкнутым.
Рисунок 8. Отверстие произвольной формы
При создании расчетной модели мы рекомендуем сглаживать углы отверстий, что, как правило, соответствует реальной форме отверстия в полке стержня. Для этого выбирают функцию «сгладить углы» и задают необходимый радиус скругления (рис. 9).
Ц] Консул - [ДЛЯ СТАТЬИ]
||ш Фзйл Редактирование Настройку Вид Окно Сервис Справка - я irx 1
*и|« хц-Я&СЗ«/*ЯРРv »HHtffiвярщ
о
600
600
_vj Jj х] к Я
Ожидание команды
0 05 1 15 2 25 3 35 4 шлЧО
г £
W
г "Н Радиус ....... |-£3-|
1.85 -1).,! 1.95 -1 1,05 -1.: F IV ок
Ж Отмена
¡Габариты 28x600 мм 22,46420с 114.5424]
Рисунок 9. Скругление углов отверстия
При необходимости создать круглое отверстие во вкладке «редактирование» выбирают функцию «круглое отверстие заданного радиуса» и в открывшемся окне задают радиус отверстия (рис. 10).
Рисунок 10. Задание круглого отверстия
Точно позиционировать отверстие можно двумя способами. Проще воспользоваться привязкой к шагу сетки. В более сложных случаях можно воспользоваться левой панелью, в которой отображаются координаты всех точек отверстия, и изменить их.
Рисунок 11. Номера вершин отверстия и их координаты
Для создания повторяющихся отверстий можно созданное отверстие копировать через заданное расстояние. Для этого во вкладке «редактирование» выбирается функция «копирование внутреннего контура». Отмечая правой кнопкой мыши нужное отверстие, открывают окно, в котором необходимо задать шаг копирования по одной или двум координатам (рис. 12).
Щ] Консул - [ДЛЯ СТАТЬИ]
Файл Редактирование Настройки Вид Окно Сервис Справка
_J9J_*J
Д I
о Отменить
■ '~J Восстановить
Габариты... Д Многоуголный внешний контур
Круглый внешний контур Внутренний контур Круглое отверстие
Круглое отверстие заданного радиуса Параметрическое отверстие... Переместить Переместить вершины
11,Я
10,2! 9,14! 8.75 9,14! 10,2! 11.9! 14 16,01 17.7 18,8! 19.2! 18,8!
^ JJ+ Начало координат ..
ш
Копировать внутренний контур
Размножить внутренний контур Л Удалить
Удалить вершины № Сгладипгь угол ¿Jflyra
1 Б,00908802 150,950967546
у] oj xj Щ
и в я
+ Один S] Прямоугольник г > <
а? п ОЛИ гон 1—, н \ 3
\ ^11
Габариты 23x600 мм
|-8,4
Рисунок 12. Копирование отверстия
Описанная последовательность действия позволят получить модель сложного профиля. На рисунке 13 приведен пример стоечного профиля, используемого в стеллажных системах, в программе Форум.
Рисунок 13. Полученный профиль
Формирование окончательной расчетной модели
Из сформированной в препроцессоре Форум укрупненной модели стержня с отверстиями генерируется конечно-элементный проект SCAD. Ключевым моментом здесь является выбор шагов разбиения на конечные элементы (рис. 14).
Рисунок 14. Генерация проекта SCAD
На рис. 15 приведен пример расчетной конечноэлементной модели стержня длиной 600 мм. Применение шага разбиения на конечные элементы типа 44 размером 1 на 1 мм определило создание модели с числом узлов 35717 и числом элементов 35215 шт.
Рисунок 15. Расчетная модель в SCAD
Экспресс-контроль исходной схемы в SCAD не выявил ошибки (рис. 16), модель готова к расчету.
Рисунок 16. Экспресс-контроль исходной схемы в SCAD
Одной из важных особенностей профилей такого типа являются его размеры, выраженные в сотых долях миллиметра. Для корректной работы программы SCAD необходимо выполнить некоторые настройки, а именно, выбрать опцию «настройка параметров среды» и во вкладке «расчетная схема» установить точность сборки и точность оценки совпадающих узлов 0,001 мм.
Таким образом, выполняя последовательно данные указания, можно получить профиль с отверстиями любой формы.
Литература
1. Ватин Н. И., Попова Е. Н. Термопрофиль в легких стальных строительных конструкциях. СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2006. 63 с.
2. Юрченко В. В. Проектирование каркасов зданий из тонкостенных холодногнутых профилей в среде SCAD Office // Инженерно-строительный журнал. 2010. №8(18). С. 38-46.
3. Смазнов Д. Н. Устойчивость при сжатии составных колонн, выполненных из профилей из высокопрочной стали // Инженерно-строительный журнал. 2009. №3(5). С. 42-49.
4. Кузьменко Д. В., Ватин Н. И. Ограждающая конструкция «нулевой толщины» - термопанель // Инженерно-строительный журнал. 2008. № 1. С. 13-21.
5. Ватин Н. И., Рыбаков В. А. Расчет металлоконструкций: седьмая степень свободы // СтройПРОФИЛЬ. 2007. №2(56). С. 60-53.
6. Васылев В. Н., Гаранжа И. М. Особенности построения расчетной конечно элементной модели многогранных гнутых стоек в программно вычислительном комплексе SCAD Office // Металлические конструкции. 2009. Т. 15. №2. С. 133-140.
7. Перельмутер А.В., Криксунов Э.З., Карпиловский В.С., Маляренко А.А. Интегрированная система для расчета и проектирования несущих конструкций зданий и сооружений SCAD Office. Новая версия, новые возможности // Инженерно-строительный журнал. 2009. № 2. С. 10-12.
8. Bajoria K. M., Sangle K. K., Talicotti R. S. Stability Analysis Of 3-d Conventional Pallet Rack Structures With Semi-rigid Connections // International Journal of Advanced Structural Engineering. Vol. 1. No. 2. Pp. 153-181.
* Анастасия Олеговна Гордеева, Санкт-Петербург, Россия
Тел. моб.: +7 (911) 752-08-07; эл. почта: gordeana@mail.ru Гордеева А.О., Ватин Н.И. Расчетная конечно-элементная модель холодногнутого перфорированного тонкостенного стержня в программно-вычислительном комплексе SCAD Office
