Расчет металлической башни в лире

Обновлено: 04.01.2025

В ходе расчета и конструирования высотных решетчатых стальных сооружений, таких как башни и мачты связи, инженер-проектировщик неизбежно сталкивается с интересным и очень ответственным этапом построения расчетной схемы сооружения, а именно — ветровая нагрузка на башню, ее сбор и приложение.

Предпосылки к расчету

Специфика назначения ветровой нагрузки для выше обозначенных конструкций заключается в том, что башни и мачты не являются сплошностенчатыми, что влечет за собой особый порядок действий по определению усилий, возникаемых от ветра. Стоит отметить, что именно усилия от ветровой нагрузки являются основополагающими при назначении необходимых размеров сечения отдельных стержней разрабатываемой конструкции — ее влияние достигает 70-80%.

Как и в любом другом проекте, вся работа начинается с получения технического задания от заказчика, который передает проектирующей организации наиважнейшие данные для проектирования: район строительства, высота башенного сооружения, масса и парусность дополнительного оборудования. Как только вся необходимая информация, прошедшая двухстороннее согласование, находится в наличии у инженера, начинается этап расчета.

При определении и назначении ветровых нагрузок следует пользоваться рекомендациями, изложенными в СП 20.13330.2016 п.11 и прил. Д.1.14. А сам процесс расчета в общем случае выполняется методом последовательного приближения.

Алгоритм сбора ветровой нагрузки на башню или ствол мачты

В первую очередь следует выполнить предварительное, исходя из опыта проектирования, назначение сечений элементам расчетной схемы, соблюдая при этом универсальность элементах в переделах одного — двух поясов башенной конструкции.

Чтобы подсчитать общую парусность назначенных элементов инженеру придется столкнуться с проблемой отсутствия универсального программного обеспечения, которое способно автоматически собирать и суммировать площадь поверхностей элементов секции, автоматически проставляя аэродинамические коэффициенты Cx в зависимости от вида используемого сечения: есть большая разница между уголковым профилем и трубами в связи с их разной формой обтекания и способностью к завихрению от ветрового потока.

В СП 20.13330.2016 приведен алгоритм действия по подсчету ветровых нагрузок, но это не реализовано ни в одном современном САПР, поддерживающем российские стандарты. Инженеру приходится решать данную проблему, создавая вручную таблицу в программе Microsoft Excel, занося все данные и формулы вручную, получая сухую информацию, в которой достаточно легко ошибиться при дальнейшей корректировке расчетов.

Упуская детали подсчета, в общих словах, алгоритм сбора ветровой нагрузки на секцию башенной конструкции можно сформулировать следующим образом:

Выделить плоскую стержневую ферму, расположенную во фронтальной плоскости, перпендикулярной оси действия ветровой нагрузки.
Разделить плоскую ферму на j-ое количество участков (секций) по высоте.
Вычислить площади контуров выделенных секций Aki и площади проекций элементов, входящих в состав j-ой секции, т.е. сумму Aij.

Вычислить коэффициент проницаемости секции:

Определить коэффициенты снижения аэродинамических коэффициентов на последующие сквозные фермы (определение значения по табл. В.8 [2]):

Вычислить аэродинамический коэффициент для каждой j-ой секции рассматриваемой башни (мачты) Cj:

Вычислить аэродинамические коэффициенты каждой пространственной j-ой секции:

Определить среднюю статическую ветровую нагрузку на каждую j-ую секцию башни или мачты:

Полученное значение средней статической ветровой нагрузки требуется привести к узлам рассматриваемой трапеции (очертания секции):

Где aj — относительная координата центра тяжести трапеции j-ой секции.

Рассматривать влияние ветра на четырехгранную башенную конструкцию следует в 2 опасных направлениях воздействия: при его действии на ребро и грань секции. Так при направлении ветра на грань в работе участвуют только 2 параллельные ветру грани. При направлении ветра на диагональ будут работать все грани, но с меньшими усилиями. При этом усилия в поясах от составляющих ветровой нагрузки будут суммироваться. Таким образом, опасным направлением ветра для поясов является направление на диагональ, для решетки – на грань. Ветровая нагрузка на башню чаще всего становится определяющей при расчете конструкции на внутренние силовые факторы.

При построении расчетной схемы в САПР на основе внесенных значений статического ветра будет рассчитываться пульсационная составляющая для создания расчетных сочетаний нагрузок по таблице 1.

В зарубежных САПР, например, Robot Structural Analysis, удобно реализовано трехмерное проектирование с автоматическим сбором ветровых нагрузок на трех- и четырехгранные башенных конструкций, однако, по американским и французским нормам.

Видео

В примере рассматриваются:
- построение пространственной модели каркаса здания;
- задание нагрузок, граничных условий и упругого основания;
- расчет на динамические воздействия.

Пример решения задачи расчета плиты в ПК ЛИРА 10.0

В примере рассматриваются следующие задачи:
- построения расчетной схемы плиты;
- создание загружений и задание нагрузок;
- описание параметров конструирования и подбор арматуры.

Пример решения задачи расчета плоской рамы в ПК ЛИРА 10

В примере рассматриваются следующие задачи:
- составление расчетной схемы плоской рамы;
- подбор арматуры для элементов рамы.

Заметки эксперта

Публикации

Вебинары

Делимся материалами с III Международной научнопрактической конференции по сейсмостойкому строительству в г. Бишкек

В версии 10.12 мы существенно расширили функционал по Eurocodes. Предлагаем ознакомиться с описанием выполняемых конструктивных расчетов, а также скачать полный перечень реализованных положений

В связи с большим количеством желающих, мы будем проводить базовый курс каждый месяц. Теперь мест хватит всем!

В большинстве опытов по испытанию адгезионных соединений измеряется средняя адгезионная прочность. Данная величина вычисляется как отношение разрушающей нагрузки к площади склейки. Подобный подход подразумевает равномерное распределение касательных напряжений. Исследователи давно обнаружили, что средняя адгезионная прочность соединения является сильной функцией геометрических [1] и физико-механических параметров модели и, следовательно, делает малоинформативными и несопоставимыми экспериментальные данные, выполненные на отличающихся образцах. Малочисленные результаты по измерению касательных напряжений по площади склейки с использованием преимущественно поляризационно-оптических методов [2] показывают, что распределение напряжений является нелинейной функцией. При этом наблюдается концентрация напряжений у торцов модели. В связи с этими фактами возникает необходимость детального изучения напряженно-деформированного состояния адгезионных соединений.

В статье рассмотрено практическое применение методики нелинейного статического анализа сейсмостойкости зданий и сооружений. Произведен расчет одноэтажной стальной рамы нелинейным статическим и нелинейным динамическим методами. В результате анализа полученных результатов расчета показана значимость высших форм колебаний и необходимость анализа их влияния на реакцию системы.

С помощью современного программно-вычислительного комплекса ЛИРА 10.6 выполнена сравнительная оценка напряженно–деформированного состояния не поврежденного и коррозионно-поврежденного железобетонного элемента при динамическом и статическом нагружении. Проанализировано влияния ослабленного коррозией бетонного участка сжатой зоны на перераспределение напряжений в сечении.

В статье рассматривается методика совместной работы ПК ЛИРА 10.6 и PLAXIS 3D посредством API модуля. С позиции инженера-расчетчика рассматриваются возможности передачи моделей между различными программами с применением технологий информационного моделирования.

Рассмотрим особенности расчета и теоретические аспекты, объясняющие те или иные пункты в нормах проектирования.

Вторая часть вебинара является продолжением обзора новых функций ЛИРА 10.12.
Темы вебинара будут интересны тем, кто сталкивается с особенными расчетами в практике, а также хочет узнать о дополнительных возможностях расчетного комплекса

ЛИРА 10 - современный и удобный инструмент для численного исследования прочности и устойчивости конструкций и их автоматизированного проектирования методом конечных элементов.

Особенности расчета металлических решетчатых башен на ветровую нагрузку

В статье рассматриваются некоторые аспекты определения ветровых нагрузок на металлические решетчатые башенные конструкции квадратные в плане, а также особенности расчета последних на ветровое воздействие в ПК ЛИРА-САПР

Определение величины ветровой нагрузки

Ветровую нагрузку следует определять как сумму средней w_m и пульсационной w_p составляющей. Нормативная величина ветровой нагрузки:

Средняя составляющая ветровой нагрузки

Нормативная величина средней составляющей ветровой нагрузки:

где w₀ — нормативное значение ветрового давления; k — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте; с — аэродинамический коэффициент.

Аэродинамический коэффициент для решетчатых башен и пространственных ферм определяется по формуле:

где C_x — аэродинамический коэффициент отдельностоящей плоской решетчатой конструкции:

C_xi — аэродинамический коэффициент i-го элемента конструкции; A_i — площадь проекции i-го элемента конструкции; A_k — площадь, ограниченная контуром конструкции.

η — коэффициент, учитывающий давление ветра на подветренную грань. Определяется по табл. В.8 СП 20.13330.2016 в зависимости от относительного расстояния между фермами и коэффициента заполнения ферм.

k₁ — коэффициент, зависящий от контура поперечного сечения и направления ветра:

При определении аэродинамического коэффициента решетчатой конструкции C_t принимается, что направление ветра всегда перпендикулярно грани башни:

Таким образом, при определении C_t коэффициент C_x всегда определяется в предположение воздействия ветра на грань, а соответственно AC_k — площадь контура грани вне зависимости от угла атаки ветровой нагрузки.

Переход к аэродинамическому коэффициенту C_t при действии ветра на диагональ осуществляется умножением C_t, вычисленного для грани, на коэффициент k₁=1.2.

При определении средней составляющей ветровой нагрузки башня разбивается на конечное количество расчетных полей. Далее для каждого расчетного поля определяется площадь, ограниченная контуром A_k; определяется суммарная площадь проекции элементов башни Ai; определяются аэродинамические коэффициенты элементов башни C_xi; определяются коэффициенты C_x, φ, η, k₁; определяется аэродинамический коэффициент для решетчатых башен C_t; вычисляется статическая составляющая ветровой нагрузки.

Вычисления удобно выполнять в табличном виде по следующему типу:

Пульсационная составляющая ветровой нагрузки

При определении пульсационной составляющей ветровой нагрузки нужно знать собственные формы и частоты колебаний башни.

Известно, что круговая частота колебаний может быть определена по формуле ω=√(k/m), где k и m – соответственно жесткость и масса. Жесткость зависит от момента инерции башни. Для квадратных в плане башен момент инерции при действии ветра на диагональ и на грань одинаковые:

момент инерции поперечного сечения башни относительно оси, проходящей через диагональ (синей):

Таким образом, при ветре на диагональ и на грань у квадратной башни одинаковые коэффициент динамичности и ординаты форм колебаний. Поэтому для определения пульсационной составляющей ветровой нагрузки достаточно вычислить частотные характеристики в направлении осей инерции башни, параллельных грани.

В практике проектирования прежних лет пульсационная составляющая ветровой нагрузки определялась только от основной формы колебаний с круговой частотой:

где y_k — перемещение точек оси башни при действии единичной силы, приложенной в уровне ее верха; M_k — приведенная к точке масса соответствующего участка башни; y_1r — перемещение верха башни от единичной нагрузки.

Пульсационная составляющая ветровой нагрузки в общем случае (динамический анализ) определяется по формуле:

где m — масса башни на уровне Z, отнесенная к площади поверхности, к которой приложена ветровая нагрузка; ξ — коэффициент динамичности (зависит от линейной частоты колебаний f=ω/2π); y — горизонтальное перемещение на уровне Z по форме собственных колебаний; ψ — коэффициент, определяется по формуле:

где M_k — масса k-го участка башни; y_k — горизонтальное перемещение центра k-го участка (ордината формы колебаний); w_pk — равнодействующая пульсационной составляющей ветровой нагрузки на k-й участок:

где ζ — коэффициент пульсаций давления ветра на уровне Z; ν — коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра.

После определения средней (статической) и пульсационной составляющей ветровой нагрузки, определяется полная ветровая нагрузка w=w_m+w_p. К расчетной модели ветровая нагрузка обычно прикладывается в виде сосредоточенных сил F_i в уровне пересечения поясов с элементами решетки (F_i=w*A_k/n, где n — число узлов).

Далее выполняется определение усилий в элементах башни.

Ветровая нагрузка на металлическую башню должна быть приложена в 2х вариантах — на грань (для определения усилий в решетке) и на диагональ (для определения усилий в поясах).

Усилия в элементах поясов и нагрузки на фундамент квадратной башни при действии ветровой нагрузки определяются от момента Мд и силы Qд – момент и поперечная сила в рассматриваемом горизонтальном сечении башни при действия ветровой нагрузки на диагональ. При этом усилия в поясах, лежащих на диагонали (поперечной/перпендикулярной ветру), равны нулю, а усилия в поясах по направлению ветровой нагрузки равны между собой по абсолютной величине, но разные по знаку

Усилия в элементах решетки определяются при действии ветровой нагрузки от Мг и Qг — момент и поперечная сила в рассматриваемом горизонтальном сечении башни при действия ветровой нагрузки на грань.

Пример расчета башни на полную ветровую нагрузку определенную «ручным» способом

Рассмотрим башню с параллельными поясами высотой 30м. Размер в плане а=3х3м.

Нагрузки на башню:

собственный вес;
вес оборудования 1тс в уровне верха башни (0.25тс в узел);
ветер полный на грань;
ветер полный на диагональ.

Ветровая нагрузка прикладывается как узловая в уровне верха расчетного поля. Величина полной ветровой нагрузки складывается из статической и пульсационной составляющих. Рассматривается 6 расчетных полей по высоте.

Усилия в элементах башни при действии ветровой нагрузки на грань.

Проверка. Общий момент в основании башни Мг=∑Wiг*Zi=68.35тс*м. Нагрузка на фундамент F=(Мг/а)/2=(68.35/3)/2=11.39тс

Как видно результаты программного и «ручного» определения нагрузок на фундаменты сходятся.

Усилия в элементах башни при действии ветровой нагрузки на диагональ.

Проверка. Общий момент в основании башни Мд=∑Wiд*Zi=82тс*м. Нагрузка на фундамент F=(Мд/а*√2)=(82/3*1.414)=19.33тс

Нагрузки на фрагмент в основании башни:

Моделирование воздействия ветра в ЛИРА-САПР

При конечноэлементном моделировании башня представляется пространственной фермой. Т.к. жесткость и масса конструкции величины не зависимые от внешней нагрузки, то при определении собственных форм и частот колебаний для разных пульсационных загружений имеет место случай кратных форм колебаний, т.е. форм с одинаковой частотой.

Если частотное уравнение имеет кратные формы, условие ортогональности форм (вдоль граней башни, в данном случае вдоль глобальных осей Х и У) не справедливо. В этом случае существует целое семейство векторов, любая пара из которых может служить собственными векторами для кратных частот. Эта пара будет ортогональна друг другу, но произвольно повернута вокруг вертикально оси башни:

Т.к. ординаты форм колебаний учитываются при определении величины пульсационной составляющей ветровой нагрузки, то в случае кратных форм последняя будет зависеть от угла поворота перемещения по кратным формам относительно главных осей сооружения. Если учесть, что угол поворота кратных форм величина случайная, то прогнозировать правильность результатов сложно. В данном случае возможно как уменьшение, так и увеличения вклада ветровой пульсации в усилия в элементах схемы.

Правильный результат будет получен в случае совпадения направления перемещений по одной из кратных форм с направлением ветровой нагрузки.

Для борьбы с кратными формами колебаний применяют разные подходы. Наиболее распространенные из них – изменение геометрии (жесткости) или масс. К примеру, в справке к ПК Abaqus написано:

«In cases with repeated eigenvalues and eigenvectors, the modal summation results must be interpreted with care. You should add insignificant mass to the structure or perturb the symmetric geometry such that the eigenvalues become unique»

«В случаях с повторяющимися собственными значениями и собственными векторами результаты модального суммирования должны интерпретироваться с осторожностью. Вы должны добавить несущественную массу к конструкции или нарушить симметричную геометрию, чтобы собственные значения стали уникальными»

При изменении геометрии башня создается прямоугольного сечения с размерами а и k*a (k принимается 1.01-1.05). При изменении масс по одному из направлений прикладываются дополнительные массы (0.01-0.05 от общей массы сооружения по данному направлению).

В ЛИРА-САПР версии 2018 появился новый инструмент Суммирование кратных форм. В случае ветровой пульсации направление итоговой формы колебаний принимается по направлению статической составляющей ветровой нагрузки. Так при ветре, заданном на грань, суммарная форма перемещений также будет на грань. При направлении ветра на диагональ, заданном через 2 составляющие вдоль осей X и Y, итоговое направление формы перемещений будет по направлению равнодействующей, т.е. тоже на диагональ.

Ниже будут показаны варианты расчета башни на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки с учетом суммирования по формам колебаний и без него. Сравниваться будет НДС схемы при определении величины ветровой пульсации «ручным» способом (см. выше) и программно.

Суммирование кратных форм

К башне, описанной выше, прикладывается статическая составляющая ветровой нагрузки. Пульсационная составляющая определяется программно.

Величина узловой нагрузки Wm/4 (Wm см. таблицу 2).

Пульсационная составляющая по результатам расчета:

Пульсационная составляющая в уровне отм. +30.000 Wp=0.165*4=0.66тс, что близко к величине нагрузки в таблице 1 (Wp=0.6575тс). Т.е. результаты «ручного» и программного расчета совпадают.

Усилия в элементах башни от полной ветровой нагрузки на грань (получено через РСН):

Как видно, усилия совпадают с результатом расчета, где к башне приложена полная ветровая нагрузка на грань, определенная «вручную» и приложенная единой нагрузкой.

Ветер на диагональ.

Пульсационная составляющая в уровне отм. +30.000 Wp=Wpx/cos45⁰=(0.14*4)/0.7071=0.792тс, что близко к величине нагрузки в таблице 2 (Wp=0.789тс). Т.е. результаты «ручного» и программного расчета совпадают.

Усилия в элементах башни от полной ветровой нагрузки на диагональ:

Как видно, усилия совпадают с результатом расчета, где к башне приложена полная ветровая нагрузка на диагональ.

«Управление» кратными формами

При расчете башни без использования функции «Суммировать формы перемещений» кратными формами колебаний следует управлять, чтобы получить ожидаемый результат. Так при ветре на грань следует задать дополнительные веса масс по направлению воздействия ветровой нагрузки:

Величина дополнительных весов масс принимается 0.01-0.05 от общего веса массы сооружения по данному направлению.

Величина суммарной массы представлена в протоколе решения задачи. Т.к. к схеме прикладывается нагрузка вес массы, то массу из протокола расчета следует увеличить в g раз.

В примере выше для каждого уровня принята величина дополнительной массы, пропорциональная массе сооружения на данном уровне.

Как видно из результатов расчета, дополнительные массы не внесли значительный вклад в инерционные силы и внутренние усилия. Максимальное продольное усилие увеличилось на 100%*(7.15-7.13)/7.13=0.28%.

При действии ветра на диагональ следует ввести локальную систему координат узлов по направлению ветра. Для этого нужно отметить узлы, к которым прикладывается нагрузка, вызвать диалог «Локальные оси узлов» и указать в качестве координат точки, из которой будет смотреть ось X2, достаточно большие величины:

В итоге для узлов местные оси Х2 будут параллельны и сонаправлены с ветровым воздействием. Итоговая форма колебаний при определении величины ветровой пульсации также будет совпадать с направлением ветра на диагональ.

Т.к. веса масс при динамическом расчете приложены всегда в локальной системе координат узла (если локальная система координат не вводится, то локальные оси узлов совпадают по направлению с глобальными осями схемы), то при расчете башни на диагональное воздействие ветра следует формировать отдельный файл задачи. В противном случае формы колебаний будут не пригодны для получения корректных пульсационных инерционных сил для загружения ветра на грань. В этом случае результаты расчета двух задач (ветер на грань и на диагональ) можно «склеить» в Метеоре (Вариации моделей). Но всего этого можно избежать, если воспользоваться новой функцией «Суммировать формы перемещений»

Как видно из результатов расчета, дополнительные массы не внесли значительный вклад в инерционные силы и внутренние усилия.

Задание сейсмики в ПК «Лира-САПР» для башен и мачт

Очень часто требуется рассчитывать строительные конструкции на сейсмическое влияние, исходя из условий предполагаемого места строительства. С помощью современных расчетных программ задание сейсмики не представляет никакой сложности. В качестве примера в текущей статье рассмотрится механизм применения этого влияния в рамках ПК «Лира-САПР».

Задание сейсмики в Лире

Сейсмика является динамическим воздействием на здание или сооружение, по этой причине необходимо в программе «Лира» открыть окно задания характеристик. Если ранее уже было задано пульсационное воздействие, то рядом с пунктом «Номер строки характеристик» следует перейти на 2 уровень (рис. 1).

После нажатия на кнопку «Параметры» откроется новое окно «Параметры расчета на сейсмическое воздействие» (рис. 2), в котором так же необходимо заполнить все указанные поля.

Из списка строительных норм выбираются СП 20.13330.2011 или более поздняя редакция этого норматива.

В соответствующих полях ввода численно задаются поправочный коэффициент для сейсмических сил (по умолчанию равен единице). Поправочный коэффициент умножается на получаемые величины инерционных сил и задается отличным от единицы, когда появляется необходимость произвести расчет на какое-либо нестандартное сейсмическое воздействие.

При помощи радио-кнопок задается признак ориентации высоты сооружения (вдоль X, вдоль Y или вдоль Z). По умолчанию высота сооружения ориентирована вдоль оси Z.

Из списка выбирается тип сооружения (1- жилые, общественные и производственные; 2- транспортные; 3- гидротехнические; 4- мостовые).

В соответствии со СНиП II-7-81 из списка выбирается категория грунта (G). Из списка также выбирается сейсмичность площади в баллах (S). Из соответствующих списков следует выбрать значения коэффициентов K₁ и К_psi (коэффициент K₃=1; коэффициент K₂=1, а при S≥8 и G=III K₂=0.7).

Для расчета по СП 20.13330.2011 из списка выбирается категория грунта (G). Из списка выбирается также сейсмичность площади в баллах (S). Из соответствующих списков следует выбрать значения коэффициентов К_о, К_А, K₁ и К_psi. При S≥8 и G=III инерционные силы умножаются на коэффициент 0.7.

Таблица 3 СП 14.13330.2011 – К₀=1,5 для башен.
Таблица 4 СП 14.13330.2011 – К_А=1.2.
Таблица 5 СП 14.13330.2011 — K₁=0,22 для стальных башен со связями и диафрагмами.
Таблица 6 СП 14.13330.2011 — К_psi=1,5 для башен.

Направление сейсмического воздействия задается направляющими косинусами CX, CY и CZ (рис. 3). Так как всегда должно соблюдаться условие CX*CX+CY*CY+CZ*CZ=1, то достаточно задать два направляющих косинуса из трех. Третий будет установлен автоматически.

После указания того, какие статические нагрузки будут динамические, необходимо просуммировать известные массы проектируемого объекта. Для этого следует нажать на кнопку «Учет статических загружений» (рис. 4).

Диалоговое окно (рис.5) предназначено для задания информации о массе для расчета на динамические воздействия. Масса может быть накоплена либо из статических загружений (одного или нескольких) – код 1, либо из плотности материала, заданной при описании параметров жесткости, – код 2. Требуемый код указывается при помощи соответствующей радио-кнопки.

В соответствующих полях ввода задается номер нового динамического загружения, номер существующего статического загружения и коэффициент преобразования.

С помощью кнопки «Добавить» заданная информация вносится в сводную таблицу. Удаление строк таблицы производится при помощи кнопки «Удалить». Доступ к какой-либо из строк заданной таблицы выполняется при помощи кнопки «Изменить».

Такими нехитрыми манипуляциями можно осуществить задание сейсмики в Лире.

Построение расчетной схемы башни в ПК «ЛИРА-САПР»

В нынешнее время на рынке представлено множество программ для расчета строительных конструкций по МКЭ. Одним из лидеров на отечественном рынке является ПК «Лира-САПР». Научиться работе в этой программе несложно, но как и любой расчет, все начинается с такого важного этапа, как построение расчетной схемы на примере башни.

Чтобы начать работу, требуется создать новый проект. Открываем программу, нажимаем на кнопку (рис. 1) в левом верхнем углу экрана. Выбрать пункты «Новый» — «Пятый признак схемы». Пятый признак обозначает то, что имеется 6 степеней свободы для полноценной задачи трехмерной геометрической схемы.

Проектирование начинается с обозначения по паре точек одной грани башни: на отметке 0.000 и на наивысшей высотной отметке. Чтобы создать точку, нужно на вкладке «Создание и редактирование» в панели «Создание» выбрать кнопку «Добавить узел» (рис. 2), в нашем случае – «По координатам». После нажатия этой кнопки, программа предложит вам ввести координаты узлов (рис. 3). Рекомендуется начинать строить схему «снизу-вверх».

В нашем случае, сечение башни квадратное в плане со стороной, равной 4.5 м. Поэтому ставим 2 точки относительно осевого центра симметрии с координатами (-2.25; -2.25;0) и (2.25; -2.25;0). Следует обратить внимание, что нецелые числа разделяются точкой, а не запятой. Повторить процедуру для верхней пары точек и места перелома поясов.

После задания 6 основных узлов, необходимо их связать стержнями. Для этого нужно нажать на кнопку «добавить элемент» — «добавить стержень» и нажать на начальную точку, затем на конечную, не удерживая при этом кнопку мыши. Рекомендуется стержни задавать однообразным способом, то есть по возможности в одном направлении (например, снизу-вверх). Должно получиться так, как изображено на рис. 5.

После завершения создания стержней, можно заметить, что башня уже состоит из пирамидальной (нижней) и призматической (верхней) частей, состоящих из 6 и 4 одинаковых участков соответственно. Поэтому следующим шагом будет разбиение поясов башни на равные части. Чтобы это выполнить, необходимо выделить сначала пару нижних поясов, во вкладке «Создание и редактирование» в панели «Создание» выбрать кнопку «Разделить на N равных частей» (рис. 4).

В открывшемся окне указать на сколько частей поделить и нажать галочку. Далее необходимо соединить противоположные свежеполученные узлы стержнями так, чтобы получилось, как на рисунке 6.

Следующий шаг – создание крестовой решетки раскосов. Следует обратить внимание, что между участками С1 и С2 раскосы пересекаются в середине распорки. Следовательно, вышеописанным методом ее требуется разделить на 2 равные части.

Следует так же заострить внимание на том факте, что не рекомендуется создание промежуточного узла при пересечении раскосов, так как это в дальнейшем будет слегка искажать представленную схему. Реальные расчетные длины раскреплений в таком случае будут учитываться коэффициентами. В конечном счете должна получиться следующая схема разрабатываемой одной грани (рис. 8).

Чтобы задать связи, обозначающих закрепление опор башни к фундаменту, нужно выделить опорные узлы и нажать на кнопку «Связи» в панели «жесткости и связи» (рис. 9). Ограничить передвижение следует линейно, то есть вдоль всех осяй, а именно: оX, оY, оZ (рис. 10).

Разрабатываемая башня – пространственная стальная решетчатая конструкция, состоящая из граней-ферм, поэтому узлы соединений конструкции принимаем шарнирные (хотя по факту они являются жесткими). Погрешность данного метода расчета минимальна. Чтобы учесть этот фактор в расчетной схеме, нужно действовать, комбинируя, 2 способа задания:

Назначение элементам решетки (в т.ч. распоркам и элементам шпренгелей) башни специального типа конечного элемента – КЭ 4 «КЭ пространственной фермы», который назначает стержням тип работы напряженно-деформированного состояния: растяжение-сжатие.
Поясам следует указать тип конечного элемента КЭ 10 «Универсальный пространственный стержневой КЭ», допускающий так же еще и изгиб.

Для начала выделим элементы решетки, не разбитых промежуточными узлами (рис. 11).

После выделения сверху в ленте появляется специальная вкладка (рис. 12), отвечающая за характеристики выделенных элементов, в которой следует нажать кнопку «Смена типа КЭ» (рис. 13).

Для тех элементов решетки башни, имеющих промежуточный узел, следует вручную задать шарниры на их концах. Особое внимание следует обратить на то, что назначение шарниров происходит согласно направлению местных осей стержня.

Чтобы посмотреть направление осей элементов, следует зайти в меню «Флаги рисования», щелкнув по кнопке (рис. 14). Далее выставить галочку напротив значка «Местные оси стержней» (рис. 15). После нажатия можно наблюдать местные оси каждого элемента, у которых вдоль их длины направлена ось Х, важно запомнить их направление, для дальнейшего назначения шарниров. Направление соответствует правилу: начальная точка стержня – отправная для оси.

Выбираем необходимые стержни и в новой вкладке «Стержни» сверху в панели инструментов выбираем кнопку «Шарниры» (рис. 16). В новом окне отметить галочками необходимые моменты Uy, Uz с начальным значением, равным нулю, т.е. назначаются идеальные шарниры. В результате должно получиться так, как на рис. 17.

Следующим этапом является назначение стержням жесткости, путем выбора нужного сечения из доступного списка профилей. Чтобы это сделать, необходимо выбрать те элементы, которые будут иметь одинаковое сечение. После нажать кнопку «Жесткости и материалы» (рис. 18).

В появившемся окне нажать кнопку «Добавить», в новом окне выбрать все интересующие данные (рис. 19). Для назначения нажать галочку для применения выбора. Последовательно заполняются все остальные элементы.

После назначения жесткостей элементам башни, следует дополнить расчетную схему не хватающими 3 гранями. Для этого нужно выделить ВСЕ элементы существующей грани и скопировать вокруг оси симметрии 3 раза под углом 90 градусов при помощи функции «Копирование поворотом» (рис. 20 и 21). При этом, координаты базового узла, относительно которого вращается грань, находятся в нуле.

После копирования обязательно выполнить упаковку схемы для того, чтобы исключить повторяющиеся предметы и осуществить сшивку схемы. Делается это с помощью кнопки «Упаковка» (рис. 22) и последующим нажатием на галочку «Применить».

Затем остается добавить диафрагму через каждые 2 участка с указанием их жесткостных характеристик. Полученный вид башни представлен на рис. 23.

Таким образом состоит основное геометрическое построение расчетной схемы башни в Лире. Следующим этапом является определение и назначение нагрузок.

Читайте также: