Базовые принципы
IDEA StatiCa Connection

IDEA StatiCa разрабатывалась для моделирования и проверки стальных узлов. При этом соединение должно иметь единственный узел, в котором будут сходиться (даже со смещениями) все элементы, независимо от сложности этого соединения. Помните, что небольшие эксцентриситеты элементов относительно узла учитываются КМКЭ моделью и не расходятся с положением о фиктивном узле. 

С другой стороны, если в модели будет присутствовать больше одного узла, то её уже можно классифицировать как конструкцию, и подход IDEA StatiCa здесь может оказаться неуместным и привести к ошибочным результатам. 

В сложных ситуациях инженер должен полагаться на свои знания и понимать, в каких случаях соединение можно расценивать как одиночный узел, а в каких – как несколько узлов, и выбирать подходящие методики расчёта самостоятельно. 

Общее правило здесь следующее: узел в IDEA StatiCa должен состоять только из тех элементов, которые сходятся в этом узле в глобальной расчётной схеме, так как к этому узлу прикладываются усилия именно от этих элементов. Тем не менее, здесь также имеет место субъективная инженерная оценка, каждый случай уникален по-своему. 

По умолчанию нагрузки задаются в фиктивном узле. Однако, пользователь может менять место приложения усилий для каждого элемента в расчётной схеме. В некоторых случаях это является обязательным требованием норм проектирования (например, AISC или SCI, для узлов на срезных планках) или связано с особенностями проекта.  

Используя эту функцию, пользователь должен понимать, что различные места приложения усилий будут приводить к разным результатам.

Как правило, при проектировании учитываются огибающие эпюры усилий, которые могут вызывать несуществующее НДС в узле. 

Такие нагрузки создают нереалистичные поля напряжений. В нашем случае такое НДС отражается на модели и может привести к её разрушению. 

Пожалуйста, имейте в виду, что это не относится к особенностям IDEA StatiCa. Усилия с огибающих эпюр при одновременном приложении к глобальной расчётной модели также вызовут экстремальное напряжённо-деформированное состояние и приведут к предельному состоянию. При увеличении числа элементов, сходящихся в узле, эта проблема усугубляется. 

Чтобы избежать подобной ситуации, настоятельно рекомендуем вам использовать для проверки несколько комбинаций, взятых из глобального расчёта всей конструкции. Усилия из комбинаций статических нагрузок всегда находятся в равновесии в пределах узла.

Использование наших BIM интерфейсов защитит вас от ошибок при задании усилий, которые могут возникнуть в процессе перехода от глобальной модели к расчётной модели узла.

Кроме того, IDEA StatiCa позволяет очень просто вычислить несбалансированные усилия для каждой модели узла. Для этого достаточно включить опцию Равновесие нагрузок. При этом внизу отобразится таблица с соответствующими усилиями, которые будут уравновешены реакциями опорного элемента.

Знаки моментов соответствуют общепринятым правилам статики. Моменты следуют правилу правой руки (буравчика) относительно локальной оси элемента. 

Для отображения локальной оси элемента, активируйте кнопку ЛСК в группе ленты Метки.

Для задания положительного момента относительно оси расположите правую руку так, чтобы большой палец совпадал с положительным направлением оси Х в ЛСК элемента. Тогда загнутые 4 пальца покажут покажут положительное направление момента вокруг этой оси.

Обратите внимание, что BIM интерфейсы автоматически учитывают правило знаков в процессе импорта нагрузок из FEA программ для расчёта конструкций. 

IDEA StatiCa позволяет задавать различные типы расчётных моделей для элементов. Каждый тип соответствует конкретным граничным условиям, которые ставятся на конце этого элемента (N-Vy-Vz-Mx-My-Mz будет соответствовать свободному/незакреплённому концу). Фактически, эта опция используется только для того, чтобы получить модель узла, которая бы соответствовала глобальной модели конструкции, а элементы в составе узла работали так же, как и общей расчётной схеме.   

Например, для элемента связи, который будет воспринимать только продольную и поперечные силы, но не будет передавать моменты, использовать модель без ограничений будет некорректным, так как изгиб в этом элементе должен увеличиваться по мере удаления от места крепления. Этого можно избежать, используя модель N-Vy-Vz, где ограничения сами по себе будут препятствовать появлению момента (информация об этом будет отображаться на вкладке Проверка -> Расчёт). Эти ограничения могут также использоваться для обеспечения стабильности модели путём исключения некоторых степеней свободы. Ключевым примером такого случая является одноболтовое соединение, в котором связь может свободно вращаться относительно оси болта. В этой ситуации подходящая расчётная модель позволяет избежать геометрической изменяемости (появления механизма). 

В общем случае, если величина реактивных усилий/моментов значительно превышает приложенные нагрузки (по усмотрению инженера), это может быть признаком того, что тип расчётной модели выбран не лучшим образом для данного соединения и может привести к неконсервативным результатам (не в запас). В таких ситуациях лучше выбрать другой тип модели, соответствующий фактическим или ожидаемым силовым/кинематическим граничным условиям или же вовсе использовать модель N-Vy-Vz-Mx-My-Mz без ограничений.

Ниже приводится пример узла крепления связей, где тип модели N-Vy-Vz препятствует появлению механизма.

Несмотря на то, что для жёстких узлов анализ устойчивости не является особо значимым, он является неотъемлемой частью КМКЭ. Поэтому после выполнения стандартного анализа НДС узла настоятельно рекомендуется выполнять линейный расчёт устойчивости, чтобы убедиться в том, что результаты находятся в допустимых пределах (см. Общие теоретические основы) и в том, что потери устойчивости не будет происходить до исчерпания прочности соединения и узел может воспринять приложенные нагрузки в полной мере.

Кроме того, потеря устойчивости компонентов узла может влиять на устойчивость всей конструкции. В этом случае можно сказать, что такая форма потери устойчивости является глобальной. В противном случае потеря устойчивости будет местной. 

Очень важно отметить, что к различным формам потери устойчивости применяются разные предельные значения коэффициентов устойчивости. Для локальных форм нижний предел можно принять равным 3, в то время как для глобальных следует опираться на значение 15 (подробную информацию можно найти в п. 4.9 теоретических основ, описывающих расчёты по Еврокоду). 

К сожалению, оценка формы потери устойчивости носит субъективный характер и не может быть однозначно определена программой, а должна выполняться на основе инженерных знаний. Пользователь сам должен решить, какая форма потери устойчивости возникает в конструкции, выполнив подробный анализ деформированной схемы. 

При добавлении элемента к модели его длина вычисляется программой автоматически в долях от высоты сечения. Алгоритм этого расчёта является частью КМКЭ, нужная длина выставляется на основе численных и лабораторных экспериментов.

Вычисленная автоматически длина элемента обеспечивает надлежащее распределение напряжений в соответствии с принципами КМКЭ.

Если к этому элементу добавить какой-либо объект или модифицировать его (добавить болты, отверстия, вырезы и т.д.), то программа автоматически скорректирует его длину, сохраняя заданное расстояние от области разрыва сплошности до конечного сечения этого элемента.

Однако, программное обеспечение позволяет изменить в "Настройках норм" коэффициент к высоте сечения, который влияет на длину каждого элемента. Мы настоятельно рекомендуем нашим пользователям использовать значение этого коэффициента, заданное по умолчанию, поскольку его изменение может существенно сказаться на результатах. Все наши верификационные примеры были выполнены с настройками по умолчанию.  

В редких случаях настройки по умолчанию могут привести к наступлению предельного состояния, которого можно было бы избежать при других параметрах. Примерами таких случаев могут быть:

1. Очень высокие балки (н-р, высотой больше 1.5 м), когда расстояние от ближайшего разрыва до конца элемента слишком велико;
2. Короткий элемент, к которому приложена большая сосредоточенная сдвигающая нагрузка (например, короткая консоль подкрановой балки), который IDEA StatiCa по умолчанию может моделировать немного длиннее, чем в действительности.  

В обоих случаях на торце элемента будет возникать большой изгибающий момент. 

Именно в таких ситуациях допускается менять этот параметр. Это даёт пользователю возможность решать подобные задачи, в которых требуется уменьшать длину элементов. 

В таких случаях, когда однозначно понятно, что проблема связана только с длиной элемента, пользователю необходимо провести небольшое исследование, чтобы изучить влияние соотношения высоты сечения к длине элемента на поведение модели (изополя напряжений и усилия в компонентах). Если результаты совпадают, то параметр можно уменьшить, но при этом может потребоваться изменение настроек сетки КЭ для некоторых моделей.

Другими словами, если пользователь решит изменить этот параметр, то он должен уметь обосновать своё решение, ссылаясь на результаты исследований и показать, что уменьшение параметра не влияет на результаты (напряжения в узле и усилия в компонентах). 

По этой причине мы рекомендуем обращаться в техподдержку, прежде чем менять любой из этих важных параметров.

Ниже приводится тестовый пример, в котором уменьшение коэффициента отношения длина/высота практически не оказывает существенного влияния на НДС узла и усилия в компонентах.

Очень важно помнить, что в различных нормах по-разному обозначаются сварные швы. К примеру, в нормах РФ и США в расчётах используется понятие катета шва, а в Еврокоде - высоты (толщины) шва. Это правило справедливо для всего проекта, включая исходные данные и чертежи. 

Поэтому, пользователь должен следить за тем, чтобы размеры сварных швов соответствовали действительности. Это особенно важно в тех случаях, когда расчёты и чертежи передаются третьим лицам (например, изготовителям металлоконструкций), так как их обозначения могут отличаться от ваших. 

IDEA StatiCa Connection – программа, предназначенная в основном для расчёта узлов из прокатных профилей, которые мало подвержены потере устойчивости и влиянию её на результаты. В программе выполняется геометрически линейный и физически нелинейный расчёт ввиду его стабильности и быстроты. Однако, этот подход не учитывает потерю устойчивости на каждом шаге нелинейного расчёта, так как расчёт устойчивости является линейным, а анализ с учётом потери устойчивости требует выполнения геометрически нелинейного расчёта.    

Если вы всё-таки решили использовать IDEA StatiCa Connection для проверки узлов из тонкостенных профилей (ЛСТК), вы обязательно должны в совершенстве владеть программой и обладать прочными инженерными знаниями: 

• Выполняйте линейный расчёт устойчивости и тщательно анализируйте каждую форму. Помните, что 5 первых форм может быть недостаточно. 
• Не полагайтесь на пластичность тонкостенных элементов. Ограничьте эквивалентные напряжения пределом текучести или даже меньшем значением, если требуется.
• Помните, что местная потеря устойчивости, которая не отслеживается на каждом шаге, может кардинальным образом перераспределить внутренние усилия в компонентах.
• Помните, что жёсткость компонентов может отличаться при различных формах разрушения или их комбинации.
• Помните, что представленные проверки, включая конструктивные (н-р, для болтов, сварки) соответствуют положениям норм, применимым к элементам прокатного профиля. Если соответствующие требования норм для тонкостенных профилей отличаются, то и представленные проверки к ним не применимы. 

В IDEA StatiCa Connection пользователь может без проблем смоделировать узлы различной топологии, которые ранее невозможно было рассчитать. Набор имеющихся инструментов и различные режимы расчёта (жёсткость, устойчивость) позволяют получить гораздо больше информации о работе узла, чем раньше.   

Пользователь несёт ответственность за изучение, понимание и применение этих возможностей в своих проектах, особенно с нестандартной топологией, которая ранее не рассчитывалась. 

Необходимо чётко понимать, что IDEA StatiCa не может исправлять ошибки в проектных решениях. Но она может помочь избежать их при правильном использовании возможностей программы.

Рассмотрим пример. Узел на рисунке ниже сконструирован не самым лучшим образом: во фланце отсутствуют верхние болты. Казалось бы, все нормативные проверки выполнены, но в некоторых местах можно обнаружить чрезмерные деформации и концентрацию пластики. Это, возможно, не приведёт к серьёзным последствиям (хрупкому разрушению), но сильно скажется на снижении несущей способности соединения. 

Методика расчёта пластин базируется на нелинейных свойствах материала, поэтому она не привязана к нормам проектирования.

Поскольку по умолчанию программа использует исходный текст и значения из Еврокода, пользователь несёт всю ответственность за проверку нормативных настроек и соответствие их положениям нужных нормативных документов и национальных приложений.