Приложение ветра на двускатную кровлю в САПФИР 2022
Требования норм к приложению ветровой нагрузки
Согласно требованиям СП 20.13330.2016 В.1.2, для учёта воздействия ветра на двускатную кровлю, её следует разбить на несколько участков (F, G,H, I, J), для каждого из которых применяется свой аэродинамический коэффициент к ветровой нагрузке.
Аэродинамические коэффициенты для разных участков кровли указаны в таблицах В.3а, В.3б:
При создании расчётной модели здания с двускатной кровлей, особенно, если конструкция кровли представляет собой кровельные сэндвич-панели с опиранием на прогоны, такое приложение ветровой нагрузки повлечёт за собой большое количество рутинных операций, которые, в итоге могут привести к возникновению ошибки. В ПК САПФИР 2022, появилась функция, позволяющая автоматизировать приложение ветровой нагрузки на кровлю, с делением её на участки. В рамках данной статьи, разберём, как эту функцию применять.
Подготовка расчётной модели двускатной кровли
Конструктивное решение
Принимаем конструкцию кровли, в виде сэндвич-панелей, с опиранием на прогоны покрытия, которые в свою очередь опираются на двускатную стропильную ферму. Выполним моделирование этой конструкции в ПК САПФИР.
Поперечные сечения стержней фермы, в рамках данного примера, оставим без изменений. Создадим, дополнительно 5 копий стропильной фермы с шагом 6 м:
По верхнему поясу стропильных ферм смоделируем прогоны покрытия с опиранием в узлах ферм. В свойствах прогонов, установим угол поворота сечения таким же, как угол наклона верхнего пояса фермы к горизонту. На концах прогонов установим шарниры UY1, UZ1, UY2, UZ2:
Создадим копии прогонов в каждом шаге ферм:
Приступаем к моделированию ограждающих конструкций покрытия.
Моделирование двускатной кровли
Найдите на ленте, вкладка «Создание», команду «Щипцовая крыша»:
Создайте двускатную крышу по наружным габаритам покрытия. Угол наклона ската задайте такой же, как у верхних поясов ферм. Привязку уровня настройте так, чтобы скаты кровли оказались в одной плоскости с верхними поясами:
Основная функция кровли, в данной модели, - это восприятие ветровой нагрузки и передача её на прогоны. Технология сбора распределённой нагрузки на поверхность и распределения её между стержнями, описана в докладе https://youtu.be/4Pd5UIxMX2k?si=tuOf9CmIkXCzBaEH. Чтобы конструкция кровли выполняла эту функцию, нужно назначить ей соответствующий материал и выполнить настройку её параметров.
Назначение материала кровли
При создании посредника для сбора распределённой нагрузки и передачи её на стрежни, важно обеспечить соответствие деформационных характеристик плиты-посредника той конструкции, которая будет выполнять эту функцию на построенном объекте. В нашем случае, материал кровли – это сэндвич панель, состоящая из слоя минеральной ваты, обшитого с двух сторон профлистом толщиной 0.7 мм. Поскольку, в свойствах кровли можно задать только вид материала, со своим модулем деформации, и толщину, то нужно выполнить расчёт изгибной жёсткости сэндвич-панели и определить модуль деформации эквивалентного прямоугольного сечения высотой 150 мм. Для решения этой задачи, смоделируем сэндвич-панель в конструкторе сечений:
Получив приведённый модуль деформации, создадим новый материал, в библиотеке проекта:
Созданный материал назначим объекту «Крыша». Дополнительно, настроим параметр «Интерпретация» - посредник для нагрузок. Таким образом, крыша сможет воспринять новые нагрузки и распределить их на прогоны.
После настройки параметров крыши, необходимо выполнить соответствующие настройки и для нижележащих стержневых элементов.
Подготовка стержневых элементов к восприятию нагрузки от кровли
Стержневые элементы (прогоны, пояса ферм, раскосы), нужно подготовить к восприятию нагрузки от кровли. Расчётную схему нужно создать таким образом, чтобы вся нагрузка от кровли, была бы передана на прогоны, а элементы фермы эту нагрузку воспринимать не должны. Если эту настройку не выполнить, нагрузка будет распределена между всеми элементами, находящимися под крышей.
Для настройки прогонов, выделим их через фильтр выбора объектов и проверим значение параметра «Коэффициент восприятия вертикальной нагрузки – он должен быть равен 1.
Проверить параметры элементов ферм, их нужно будет разбить на отдельные стержни, т.к. изначально ферма представляет собой «блок» из нескольких объектов (стержней), свойства которых нельзя отредактировать, пока они находятся в составе этого блока. Выделяем все фермы и нажимаем «Разобрать блок» на вкладе «Редактирование».
После выполнения команды, элементы ферм всё ещё будут выделены, чем можно воспользоваться для редактирования их свойств. Если же выделение было случайно сброшено, то элементы ферм нужно будет выделить через фильтр выбора объектов. Выполняем корректировку параметра «Коэффициент восприятия вертикальной нагрузки – он должен быть равен 0.
Точно также, нужно отредактировать параметр «Коэффициент восприятия горизонтальный нагрузки – 0. Такая настройка свойств стержней фермы, приведёт к тому, что они не будут воспринимать на себя нагрузку, распределяемую кровлей.
Приложение ветровых нагрузок на кровлю
Создание модели ветра
Создадим модель ветра, в которой будем прикладывать ветровую нагрузку к крыше.
Для модели ветра указываем название «Ветер Х», настраиваем способ приложения нагрузки – задать вручную, ветровой район II, тип местности В. Прочие параметры оставляем без изменений. После завершения операции, в списке загружений будет создана новая строчка – «Ветер Х».
Приложение ветровой нагрузки к крыше
Отметим крышу и нажмём на кнопку «Ветровая нагрузка», после чего должно появиться диалоговое окно «Ветровая нагрузка на скаты кровли».
В появившемся диалоговом окне выбираем модель ветра «Ветер Х», после чего программа автоматически поменяет содержимое окна, в соответствии с направлением ветра:
В левом нижнем углу окна, показаны геометрические параметры крыши, определённые программой автоматически: угол ската а=12.5 градусов, h=3.7 м, b=18 м, на основании этих размеров, вычислен параметр e=7.4 м. В случае необходимости, параметры можно откорректировать вручную.
В правом верхнем углу окна, выбираем расчёт коэффициентов по СП, чтобы аэродинамические коэффициенты вычислялись по СП 20.13330.2016. Ниже отобразится таблица с аэродинамическими коэффициентами для различных зон крыши. Под таблицей можно выбрать загружение для создаваемой нагрузки, по умолчанию оно соответствует модели ветра, в рамках данной задачи менять его не будем.
Нажимаем галочку «Перераспределять нагрузку через элементы-посредники на балки» и создаём ветровую нагрузку.
Появившаяся ветровая нагрузка будет распределена кровлей на прогоны, при создании расчётной модели, в чём мы позже убедимся. Теперь, познакомимся с тем, как можно корректировать ветровую нагрузку на крышу, в процессе её настройки.
Корректировка аэродинамических коэффициентов
Создадим новую модель ветра: Ветер Y, угол относительно оси Х – 90 градусов, остальные параметры такие же, как у предыдущей модели ветра. Отметим крышу и вызовем диалоговое окно ветровой нагрузки на скаты кровли. В правом верхнем углу выбираем «Ветер Y», после чего содержимое диалогового окна должно подстроиться под параметры выбранной модели ветра.
Представим ситуацию, что по техническому заданию, аэродинамические коэффициенты должны отличаться от посчитанных программой, в таком случае, их нужно откорректировать, но геометрические размеры зон приложения ветровой нагрузки на скаты кровли остаются прежними. Для корректировки аэродинамических коэффициентов, экспортируем их в текстовый файл.
Созданный файл нужно открыть блокнотом, после чего коэффициенты можно будет отредактировать.
Важно! Корректировка аэродинамических коэффициентов допускается только при условии их обоснования соответствующими расчётами.
В рамках решаемой задачи, будем предполагать, что аэродинамические коэффициенты должны поменять знак, чтобы нагрузка на скаты кровли была вдавливающей, т.к. при отрицательных коэффициентах она действует на отрыв, для этого сотрём знак «минус» перед значениями коэффициентов. Также, для наглядной демонстрации, увеличим значение аэродинамического коэффициента в зоне J на 2, для угла 15 градусов. Такие преобразования выполняются только в рамках данного примера.
После внесения корректировок в текстовый файл, его следует сохранить, и импортировать в САПФИР.
Значения аэродинамических коэффициентов появятся в таблице в диалоговом окне ветровой нагрузки на скаты кровли. Нажимаем галочку «Перераспределять нагрузку через элементы-посредники на балки» и создаём ветровую нагрузку.
Когда ветровые нагрузки будут приложены, переходим к созданию расчётной модели.
Создание и просмотр расчётной модели
При создании расчётной модели, должна быть активна галочка «Распределять нагрузку на стержни через посредники».
После нажатия на кнопку «ОК», будет запущено окно ЛИРА САПР и окно расчётного процессора. По завершении расчёта, в САПФИРе будут созданы две расчётные модели. По умолчанию, будет открыта вкладка «Расчётная модель вариант 1», где будут представлены ветровые нагрузки, распределённые по прогонам. Проанализируем результат распределения для загружения «Ветер Х»:
Как видно, ветер будет создавать отрыв прогонов от верхних поясов. Переключимся на загружение «Ветер Y»:
В данном загружении, ветер прижимает прогоны к верхним поясам фермы – так поучилось после корректировки аэродинамических коэффициентов в текстовом файле.
Полученные ветровые нагрузки на крышу могут быть объединены с другими ветровыми нагрузками одного направления, приложенным к другим конструкциям (колонны, плиты, стены).