SCAD OFFICE . НАГРУЗКИ, ЗАГРУЖЕНИЯ, КОМБИНАЦИИ И СОЧЕТАНИЯ

1. SCADOFFICE. НАГРУЗКИ, ЗАГРУЖЕНИЯ, КОМБИНАЦИИ И СОЧЕТАНИЯ

2. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Мотивация В процессе профессиональной подготовки инженера-строителя почти ничего не говорится о нагрузках и воздействиях на строительные конструкции. Это тем более удивительно, что в основном неравенстве метода расчетных предельных состояний, где несущая способность конструкции сопоставляется с нагрузочным эффектом, обе его части в равной степени важны. То, что будет представлено далее, является попыткой устранения диспропорции между описанием конструктивной и расчетной схемы и описанием ее нагружения. Изложение привязывается к использованию SCAD Office, при этом рассматриваются не только сегодняшние возможности, но и анонсируются ожидаемые изменения. SCAD ВЕСТ

3. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Часть 1. Общие сведения Модель нагружения Термины Требования нормативных документов Классификация нагрузок и воздействий Эквивалентные нагрузки

4. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Модель нагружения • Традиционно нагрузки представляются независимыми от расчетной модели. Но иногда приходится вспоминать, что есть не только действие нагрузки на систему, но и взаимодействие нагрузки с системой: • для динамического нагружения сооружение является некоторым фильтром, отбирающим из действующих на него возмущений определенную часть, при этом фильтрация может происходить не только по частоте воздействия (резонансные явления), но и по длине волны;

5. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Модель нагружения • Традиционно нагрузки представляются независимыми от расчетной модели. Но иногда приходится вспоминать, что есть не только действие нагрузки на систему, но и взаимодействие нагрузки с системой: • для динамического нагружения сооружение является некоторым фильтром, отбирающим из действующих на него возмущений определенную часть, при этом фильтрация может происходить не только по частоте воздействия (резонансные явления), но и по длине волны; • величина аэродинамического нагружения существенно зависит от формы конструкции, и здесь наблюдается своеобразный эффект положительной обратной связи — увеличение поперечных размеров сечения увеличивает ветровую нагрузку, что в свою очередь может вызвать увеличение размеров сечения;

6. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Модель нагружения Традиционно нагрузки представляются независимыми от расчетной модели. Но иногда приходится вспоминать, что есть не только действие нагрузки на систему, но и взаимодействие нагрузки с системой: • для динамического нагружения сооружение является некоторым фильтром, отбирающим из действующих на него возмущений определенную часть, при этом фильтрация может происходить не только по частоте воздействия (резонансные явления), но и по длине волны; • величина аэродинамического нагружения существенно зависит от формы конструкции, и здесь наблюдается своеобразный эффект положительной обратной связи — увеличение поперечных размеров сечения увеличивает ветровую нагрузку, что в свою очередь может вызвать увеличение размеров сечения; • аналогичная положительная обратная связь возникает при учете нагрузки от собственного веса, а также в случаях нагружения гибких конструкций весом слоя жидкости.

7. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Термины Нагрузки - это то, что имеет конкретный физический смысл и количественное определение: собственный вес, снег, просадка опор, и т.п. Загружения — это то, на что выполняется расчет конструкции с решением совместной системы линейных уравнений. Загружения должны выбираться так, чтобы любое нагрузочное состояние конструкции можно было представить в виде линейной комбинации (сочетания) отдельных загружений. В частном случае роль загружений могут играть сами нагрузки. Сочетание нагрузок - это линейная комбинация собственно нагрузок с числовыми коэффициентами. Допустимые сочетания - это те, которые могут реализоваться, исходя из логики совместного действия нагрузок или некоторых ограничений по их количеству, но не сообразуясь с несущей способностью конструкции. Неблагоприятные сочетания - такие сочетании нагрузок, при которых конструкция более близка (или находится) к предельному состоянию (или находится в нем), чем при других допустимых сочетаниях.

8. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Требования нормативных документов Комплекс SCAD в части работы с нагрузками ориентирован, главным образом, на выполнение указаний СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия», хотя учитываются требования и таких нормативных документов, как СНиП II-7-81 «Строительство в сейсмических районах», НП-031-01 «Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций» и др. Указания относительно нагрузок на сооружения определенного типа, например, мостам (СНиП 2.05.03-84*) или зернохранилища (СНиП 2.10.05-85), а также, касающиеся воздействий определенного вида (например, СНиП 2.06.04-82*) в большинстве случаев можно выполнить, используя предоставляемую комплексом SCAD возможность изменения значений тех или иных коэффициентов.

9. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Требования нормативных документов Сложнее обстоит дело с учетом тех норм, где корректировка связана с изменением подхода, а не значения коэффициентов. Так, в СНиП 2.01.07-85* используется совместный коэффициент сочетаний и суммарное расчетное усилие или перемещение определяется нагрузкой S , вычисляемой по формуле А в Еврокоде или же в новых нормах Белоруссии по железобетонным конструкциям используются раздельные коэффициенты сочетаний Используются здесь и другие понятия (практически постоянная, частая и редкая комбинации; постоянные и переходные расчетные ситуации). Все это стимулирует нас к разработке особой ветки программы, которую мы планируем реализовать в следующем году.

10. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Классификация нагрузок и воздействий Метод расчета по предельным состояниям оперирует с понятиями нормативнойи расчетной нагрузки. Нормативным считается значение нагрузки, определяемое нормами проектирования, оно в какой-то мере соответствует наибольшему значению нагрузки, которое может быть допущено при нормальной эксплуатации сооружения. В SCAD используются расчетные значения нагрузок. Для оценки второго предельного состояния вычисляются нормативные значения, для чего выполняют деление на коэффициент надежности по нагрузке f. • В завиcимоcти от причины возникновения нагрузки делятcя на: • оcновные, которые появляютcя как неизбежный результат природных явлений или человечеcкой деятельноcти; • особые (аварийные), которые появляютcя как нежелательный результат человечеcкой (ошибок) или же возникают при неблагоприятном cтечении обcтоятельcтв.К аварийным могут быть отнеcены и веcьма редкие воздейcтвия природного проиcхождения такие, как нагрузки от cмерчей, цунами и др.

11. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Классификация нагрузок и воздействий • Кроме того нагрузки делятся на постоянные и переменные, а последние в зависимости от характерной продолжительности непрерывного действия на конструкцию Td делятся на: • длительные, для которых продолжительность Td сопоставима с установленным сроком эксплуатации Tef; • кратковременные, для которых TdTef. В SCAD задается тип загружения (постоянное, длительное, кратковременное) и коэффициент, позволяющий перейти от полного (кратковременного) к пониженному (длительному) значению нагрузки. Нужно помнить, что длительная составляющая сейчас используется, главным образом, только для оценки влияния реологических процессов на сопротивление железобетонных конструкций. Однако имеются задачи, в которых следует учитывать только постоянные и длительные нагрузки (например, в комбинациях, направленных на исследование аварийных ситуаций), поэтому есть необходимость и прямого задания длительных загружений.

12. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Эквивалентные нагрузки Пространственное распределение нагрузок часто имеет сложный характер, поэтому возникает желание упростить их описание за счет введения более простой нагрузки (например, равномерно распределенной по площади) но такой, что эффект ее действия на конструкцию оказывается таким же, как и для реальной нагрузки со сложной пространственной структурой. Расхождение между действительной и эквивалентной нагрузкой следует учитывать при проверке суммарных нагрузок и при назначении масс (в СНиП по сейсмике временную нагрузку на перекрытия рекомендуют брать с коэффициентом 0,5).

13. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Эквивалентные нагрузки Представление о соотношениях между реальной и эквивалентной нагрузкой дают значения коэффициентов перехода, заимствованные из японских норм.

14. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Часть 2. Загружения SCAD Характеристики загружений Распределенные временные нагрузки Крановые нагрузки Ветер Сейсмика Температура

15. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Характеристики загружений • Создание загружения требует определенных размышлений, поскольку от того, как это сделано зависят возможности дальнейшего анализа, в особенности при ориентации на нахождение расчетных сочетаний усилий (РСУ). • Для этого, в частности, при формировании загружений следует помнить, что нагрузки, одного загружения должны: • всегда действовать одновременно; • иметь одинаковый тип с точки зрения длительности действия; • иметь одинаковые коэффициенты надежности по нагрузке; • иметь одинаковые соотношения между полным и пониженным значениями нагрузки. • В настоящее время все загружения считаются в определенной мере равноправными (например, все они учитываются в режиме РСУ). Мы предполагаем ввести понятие неактивного загружения, чтобы исключить его из дальнейшей обработки.

16. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Характеристики загружений Требование об одинаковом коэффициенте надежности по нагрузке в одном загружении может вызвать определенные затруднения даже при рассмотрении постоянных нагрузок, если рассматривается конструкция-пакет. Коэффициенты gf от 1,1 до 1,3 Осредненно 0,586 : 0,507=1,16

17. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Характеристики загружений Нужно также думать о том, чтобы с помощью создаваемых загружений можно было впоследствии проанализировать работу конструкции. В особенности это касается временных нагрузок, для которых следует создавать некоторые загружения-кванты, обеспечивающие правдоподобное описание возможных схем расположения нагрузок на конструкции. Загружение 1 Загружение 2 Загружение 3 Комбинация 1 = 1 + 2 Комбинация 2 = 2 + 3 Комбинация 3 = 1 + 2 Комбинация 4 = 1 + 2 + 3

18. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Характеристики загружений Комбинация 4 Загружения 1, 2 и 3

19. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Распределенные временные нагрузки Временные нагрузки на перекрытия, представленные в нормах, могут реализоваться в относительно небольших помещениях, но являются достаточно завышенными, если рассматривается перекрытие в целом и, тем более, многоэтажное здание. Расчетная нагрузка в обеденном зале кафе или ресторана Нормы предусматривают снижение таких нагрузок для помещений площадью более 9 (иногда 36) кв. метров, а также при рассмотрении колонн, стен и фундаментов, воспринимающих нагрузки от двух и более перекрытий.

20. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Распределенные временные нагрузки Для временных нагрузок важно учесть что именно предстоит рассчитать. Перекрытие : Колонны верхнего этажа : Фундаменты = 0,195 : 0,088 : 0,081 (т/м2)

21. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Крановые нагрузки Следует помнить, что один и тот же кран может занимать различные положения в пространстве, соответствующие загружения не могут действовать одновременно. Значения поперечных тормозных сил зависят от положения тележки, а место их приложения – от того, какой ребордой и на каком колесе произойдет первый контакт с рельсом. Коэффициент сочетаний зависит от группы режима работы крана, ее следует знать.

22. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Ветер При задании статической компоненты единственной проблемой чаще всего бывает определение значений коэффициента обтекания. СНиП рассматривает далеко не все случаи и указывает на необходимость проведения аэродинамических испытаний. Есть и другие данные, которыми можно воспользоваться. Из норм КНР

23. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Ветер Сейчас выполняется разработка по численному решению задачи обтекания профиля здания (пока что плоская задача), на основе которой можно принимать некоторые решения о значениях коэффициента С.

24. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Ветер Мы здесь остановимся на двух стандартных динамических нагрузках, работа с которыми предусматривается в системе SCAD: динамическое действие ветровых пульсаций и сейсмическое воздействие. Начнем с ветровой нагрузки. • Динамический эффект ветровых пульсаций реализован в двух вариантах: • по СНиП 2.01.07-85*; • по МГСН 4.04.94.

25. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Ветер Если посмотреть на график записи скорости ветра, измеренной прибором, то он будет иметь такой вид: Пульсационная составляющая Средняя скорость

26. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Ветер Характеристики пульсаций: Коэффициент пульсаций Энергетический спектр

27. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Ветер • На определенной частоте реакция сооружения на ветровые пульсации содержит : • квазистатическую часть, пропорциональную мощности пульсаций; • динамическую (резонансную) часть. Коэффициент динамичности Для системы с одной степенью свободы решение оказывается зависит от коэффициентов динамичности и пространственной корреляции пульсаций ветрового давления.

28. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Ветер График коэффициента динамичности получен в предположении, что скорость ветра полностью коррелированна и значение коэффициента  определяются осредненно с использованием грубых предположений о форме колебаний конструкции. Более точно корреляция учитывается в МГСН. Системы со многими степенями свободы путем разложения их движений по формам собственных колебаний приводятся к ряду систем с одной степенью свободы. Динамическая составляющая ветровой нагрузки, соответствующей i-й форме собственных колебаний, это инерционные силы, возникающие при движении по этой форме. От действия этих инерционных сил можно определить возникающие усилия, перемещения и т.п. СНиП предполагает, что движения по формам собственных колебаний не коррелированны и имеют случайный равномерно распределенный фазовый сдвиг, т.е. их амплитудное значение может с равной вероятностью реализоваться в любой момент времени.

29. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Ветер Динамическое значение некоторого фактора Х, связанного с инерционными силами линейной зависимостью определяются по формуле Заметим, что здесь происходят потери знаков отдельных компонент и нет соответствия между перемещениями и внутренними силами. Суммарно:

30. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Ветер В Московских городских строительных нормах (МГСН) используется более точное представление: При точном учете пространственной корреляции пульсаций, принимается во внимание, что даже для симметричных расчетных схем, возбуждаются колебания по формам (например, крутильным), которые будут пропущены при использовании подхода из СНиП. Для зданий простой формы в плане различие между двумя подходами, реализованными в системе SCAD, относительно невелики.

31. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Ветер Для предварительной оценки ожидаемого динамического эффекта можно использовать режим «Ветер. Пульсации» программы ВЕСТ. Коэффициент динамичности

32. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Сейсмика Реализовано несколько вариантов расчета, соответствующих различным нормативным документам Имеется возможность удержать необходимое число форм, обеспечить заданный процент выбранных масс

33. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Сейсмика То, что обычно называют сейсмической нагрузкой, нагрузкой в строгом смысле этого слова не является. Сооружение подвергается воздействию колебательных движений основания, которое возбуждают пришедшие из очага землетрясения сейсмические волны. При движении сооружения, вызванном кинематическим возбуждением, возникают инерционные силы, которые и принято называть сейсмическими нагрузками.

34. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Сейсмика По действующим нормам единственной исходной сейсмологической характеристикой района строительства является сейсмичность, оцениваемая в баллах. Каждому баллу нормами приписывается определенный расчетный уровень максимальных ускорений Аg, который используется для определения инерционных сейсмических нагрузок, вводимых в расчет сейсмостойкости сооружений как статические. Расчетное значение максимального ускорения связано через множитель А с расчетным баллом S зависимостью:

35. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Сейсмика Максимальные значения ускорений, полученные под воздействием перемещений основания в реальных землетрясениях, представляются в функции периода собственных колебаний маятника (пробного осциллятора) и образуют спектр реакций, который служат основой для определения сейсмической нагрузки Нормы оперируют с огибающей таких спектров

36. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Сейсмика Для каждой учитываемой формы собственных колебаний можно подсчитать коэффициент вклада, который равен работе сил инерции на перемещениях переносного движения системы (обобщенной массе).Если учесть все формы, то сумма коэффициентов вклада будет равна единице, при удержании части форм подсчитывается процент выбранных масс. Определение процента удержанной массы особенно важно в тех случаях, когда в нижней части спектра содержатся локальные формы колебаний с низкой частотой.

37. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Сейсмика Для спектральной методики используется разложение по формам собственных колебаний и суммирование вкладов каждой формы по правилу «корень из суммы квадратов». Это значит, что и при сейсмическом воздействии неизвестны моменты времени, когда реализуется амплитудное значение инерционных сил, соответствующих каждой форме собственных колебаний, и считается что эти моменты являются случайными. Следовательно, остаются в силе все предупреждения о потере знаков отдельных компонент и связанных с этим последствиях, высказанные по поводу динамической составляющей ветровой нагрузки. При расчете по акселерограммам интегрируются уравнения движения системы и при этом разложение по формам собственных колебаний, вообще говоря, может не использоваться, хотя SCAD это интегрирование выполняет с использованием такого разложения. В качестве результата определяются экстремальные значения всех компонент напряженно деформированного состояния, которые не обязательно достигаются одновременно. Полученная таким способом своеобразная «огибающая» также не удовлетворяет условиям равновесия, которые удовлетворялись во все моменты времени порознь.

38. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Сейсмика Особую проблему составляет обеспечение балансировки используемых акселерограмм.Необходимо отметить, что большинство записанных акселерограмм содержат ошибки оцифровки.

39. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Температура Нагрев или охлаждение конструктивного элемента создает в нем некоторое температурное поле, которое в поперечном сечении конструктивного элемента (например, стержневого) удобно представлять в виде суммы четырех составляющих Температурные усилия возникают только в статически неопределимых конструкциях. Для систем с одной лишней связью эти усилия возникнут после превращения конструкции в статически неопределимую (после замыкания системы), которое реализуется при некоторой температуре t0 (температуре замыкания системы):

40. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Температура Большинство конструкций относятся к системам с несколькими лишними связями, замыкание которых распределяется по времени. Для них не существует температуры замыкания, выраженной каким-либо одним числом. Усилия, возникающие при монтаже регулярной многопролетной рамы в предположении, что сборка производится в направлении слева направо с постоянной скоростью, так, что моменты замыкания отдельных пролетов разделены равными интервалами времени.

41. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Температура Определенные проблемы возникают при задании внутренней температуры конструкций. Для жилых зданий, например, это температура воздуха в помещении, но для производственных зданий она может быть отличной от температуры воздуха. Эти данные устанавливаются теплотехническими расчетами. Еще одна проблема – температурный режим подземной части сооружения. Можно использовать приближенный прием – температура всегда равна +5оС на глубине 1,5-2,0 глубин промерзания и далее распределена равномерно до температуры воздуха на поверхности земли.

42. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Часть 3. Комбинации и сочетания РСУ и РСН Логическая связь загружений Критерий отбора РСУ Представление результатов

43. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания РСУ и РСН В комплексе SCAD используются два похожих, но принципиально отличающихся понятия: расчетные сочетания усилий (РСУ) и расчетныесочетания нагружений (РСН). Определить РСУ — это значит найти те сочетания отдельных загружений, которые могут быть решающими (наиболее опасными) для каждого проверяемого элемента либо каждого сечения элемента (это касается стержня). В отличие от режима РСУ, где заранее не было известно, какая комбинация загружений окажется невыгодной (расчетной) для напряжения в определенном сечении и поиск такой комбинации выполнялся автоматически по правилам СНиП, в режиме РСНпредполагается явное указание рассматриваемой комбинации. При этом любое из загружений может быть включено в комбинацию с некоторым множителем.

44. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания РСУ и РСН Каждое из невыгодных сочетаний создает определенное напряженно-деформированное состояние (НДС) системы в целом, но в общем случае такие НДС реализуются не одновременно. В силу этой неодновременности нельзя построить «эпюру РСУ» или «изополя РСУ». Если к этому добавить, что каждому элементу соответствует не одно РСУ, а несколько, то указанная «невозможность» еще более усугубится. В случаях, когда требуется рассмотреть вопрос о взаимодействии усилий в разных элементах, например, при проектировании узлового соединения, необходимо использовать только результаты режима РСН,поскольку здесь следует соблюдать условия равновесия. То же самое относится к такой процедуре, как построение нагрузок, действующих на фрагмент здания.

45. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Логическая связь загружений Между отдельными нагрузками существуют различные варианты совместного проявления: полная независимость, обязательная совместность (давление жидкости на стенки сосуда и действие архимедовых сил), условная совместность (действие силы трения невозможно при отсутствии нормального давления), несовместность (невозможность одновременного действия положительной и отрицательной температуры). Кроме того, нормы ограничивают число нагрузок, одновременно входящих в сочетание (только одна особая, не более двух кранов и т.п.), что также сказывается на логических связях между нагрузками. Все это следует учитывать при выборе невыгодных сочетаний нагрузок (режим РСУ). В настоящее время все загружения считаются в определенной мере равноправными (например, все они учитываются в режиме РСУ). Мы предполагаем ввести понятие неактивного загружения, чтобы исключить его из всех логических связей и не учитывать в РСУ.

46. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Логическая связь загружений В настоящее время задание исходных данных для режима РСУ реализуется в окне: Неопределенность роли 2 главных сочетания Только 2 сопутствующих загружения Некоторые установки такого расчета устарели ( 1 ), другие показали определенные неудобства или создают лишние препятствия ( 2 ), третьи неоднозначно воспринимаются ( 3 ).Поэтому разрабатывается новая модификация системы управления данными для режима РСУ.

47. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Логическая связь загружений Основное диалоговое окно будет выглядеть таким образом: Кроме того, будут вызываться специальные окна.

48. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Логическая связь загружений Задание условий взаимоисключения, объединения и сопутствия можно представить в форме, напоминающей таблицы спортивного чемпионата (только здесь отмечается сам факт встречи, а не счет игры). Взаимоисключение Объединение Сопутствие

49. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Логическая связь загружений Логику взаимодействия загружений удобно анализировать на графе. При построении графов такого типа следует придерживаться следующих правил: • загружения А и В, действующие совместно, представляются последовательно соединенными дугами; • взаимоисключающие загружения А и В представляются параллельными дугами; • временные нагрузки А имеют нулевую обходную дугу О; • для сопутствия используется локальная и глобальная обходная дуга.

50. Нагрузки, загружения, комбинации и сочетания Логическая связь загружений Пример графа: 1 — собственный вес; 2 — снег; 4 — ветер слева; 5 — ветер справа; 7 — максимальное давление крана слева; 8 — максимальное давление крана справа; 10 — торможение, передаваемое на левую колонну наружу пролета; 11 — торможение, передаваемое на левую колонну внутрь пролета; 12 — торможение, передаваемое на правую колонну внутрь пролета; 13 — торможение, передаваемое на правую колонну наружу пролета