Расчёт узла с учётом пластического шарнира по Еврокоду

1 Создание нового проекта

Запустите IDEA StatiCa (скачать последнюю версию) и откройте приложенный файл модели. Конструкция узла уже готова, можно приступать к выполнению обычного расчёта напряжённо-деформированного состояния (режим EPS).

2 Расчёт и проверка

Запустите расчёт НДС узла, нажав на кнопку ленты Рассчитать. Аналитическая модель будет построена автоматически. После выполнения расчёта в левом верхнем углу будут отображены краткие результаты проверки.

Судя по результатам, узел спроектирован должным образом и проходит все необходимые проверки.

Нажмём на кнопку Скопировать, чтобы сохранить данный узел и его результаты. 

3 Проверка несущей способности

В новом файле проекта (CON2), изменим тип расчёта на CD – Capacity design (расчёт с учётом пластического шарнира). 

Для выполнения этого расчёта требуется назначить диссипативный элемент. Его можно добавить с помощью команды ленты или щёлкнув правой кнопкой мыши на дереве проекта.

Диссипативным элементом следует назначать элемент или пластину, где ожидается появление пластического шарнира. Ему (ей) будет назначен коэффициент переупрочнения (англ. overstrength factor) и коэффициент деформационного упрочнения (англ. strain-hardening factor). В данном примере выберем элемент IPE360 в качестве диссипативного и cподтвердим выбор, нажав на пробел/ввод, галочку или правую кнопку мыши.

В свойствах Элемента с сечением IPE360 нужно кое-что изменить: Сменить Тип модели на N-Vz-My, так как конструкция соединения воспринимает только изгибающий момент и поперечную силу в вертикальной плоскости, из-за чего ограничиваются перемещения элемента в плоскости наименьшей жёсткости. 

Переключим Приложение усилий на параметр Позиция, так как нам потребуется задать точное место действия внутренних усилий. Место приложения усилий, как и появление пластического шарнира, будет задано координатой X = 365 мм.

Как точно определить положение пластического шарнира? Этот вопрос инженеру приходится решать самостоятельно. Как правило, пластический шарнир в узлах каркасов возникает именно со стороны балки. В нашем примере будем считать, что он появляется сразу же за внешней гранью ребра жёсткости. В этом случае удобно считывать координату для задания усилий (на каркасном виде).

На следующем шаге настроим загружения. Нагрузки в расчётах с учётом сейсмики назначаются в соответствии с нормами (коэффициент переупрочнения материала и деформационного упрочнения) и зависят в том числе от предела текучести, геометрических характеристик сечения и т.д.

Нагрузки для данного примера были вычислены следующим образом:

\[M_{\textrm{Ed}} = \gamma_{\textrm{sh}} \cdot f_{\textrm{y,ov}} \cdot W_{\textrm{p}l} = 1.2 \cdot 447.75 \cdot 10^6 \cdot 1.0218 \cdot 10^{-3} = 544.12 \, \textrm{кНм} \]

\( \gamma_{\textrm{sh}} = 1.2 \) 

\( f_\textrm{y} = 355 \, \textrm{МПа} \)

\( f_{\textrm{y,ov}} = f_\textrm{y} \cdot \gamma_{\textrm{ov}} = 355 \cdot 1.25 = 443.75\, \textrm{МПа} \)

\( \gamma_{\textrm{ov}} = 1.25 \) 

\( W_{\textrm{pl,IPE360}} = 1.0218 \cdot 10^6 \, \textrm{мм}^3 \)

\[ V_{\textrm{Ed}} = \frac{2 \cdot M_{\textrm{Ed}}}{L_{h}} = 2 \cdot \frac{544.12}{7.32} = 148.67 \, \textrm{кН} \]

\(L_{h} = 7.32 \, \textrm{м} \, -\) расстояние между пластическими шарнирами в балке

Добавим вычисленную поперечную силу и изгибающий момент в новое Загружение (LE).

И поперечная сила, и изгибающий момент должны иметь правильные знаки, то есть, изгибающий момент должен уменьшаться по длине балки от узла.

Скопируем это загружение LE и изменим направления действующих усилий так, чтобы второе загружение LE было противоположным первому.

Теперь можно запустить расчёт с учётом пластического шарнира, нажав на кнопку Рассчитать на ленте.

Как можно видеть по результатам проверки, узел не отвечает нормативным требованиям. Его конструкция требует некоторой доработки.

Увеличим толщину фланца до 25 мм, чтобы исключить возможность его отказа.

Чтобы увеличить несущую способность колонны, добавим накладку на её стенку (с помощью монтажной операции Усиливающая пластина).

Накладка будет привариваться к стенке швами с полным проваром, сварные швы по полкам тоже потребуется задать.

Для сварных накладок потребуется задать 4 сварных шва с двух сторон и по двум полкам. 

Рёбра жёсткости по стенке колонны нужно будет подрезать и приварить к накладкам с помощью монтажной операции Подрезка пластины.

Повторим подрезку пластины и прикрепим все 4 ребра жёсткости к накладкам.

Конструкция узла готова, и можно приступать к расчёту. Нажмём на вкладке Проверка кнопку Рассчитать. Как видим, все компоненты узла (сварные швы и болты) проходят нормативные проверки. Пластическая деформация диссипативного элемента не влияет на общие результаты. 

Появление пластического шарнира можно оценить, отобразив изополя Пластические деформации.

Пластический шарнир появился в предполагаемом сечении, и узел прошёл все необходимые проверки согласно требованиям норм.

Для более подробной интерпретации результатов рекомендуем обратиться к Теоретическим основам.

4 Отчёт

В завершение урока оформим результаты в Отчёт. IDEA StatiCa позволяет создать полноценный отчёт и вывести его на печать или сохранить в редактируемом формате.

На этом процесс расчёта стального узла с учётом пластического шарнира по Еврокоду завершён.