3.16. Расчет вантовых конструкций

Расчет вантовых конструкций для пользователя мало чем отличается от расчета обычных конструкций, состоящих из упругих элементов. Достаточно в графическом или табличном редакторе включить в расчетную схему конструкции вантовые элементы и запустить обычный Статический расчет.

Вантовые элементы могут присоединяться к узлам основной конструкции, а также непосредственно сочленяться друг с другом, образуя вантовые сети. К вантовым элементам могут быть приложена равномерно распределенная нагрузка, температурная нагрузка и/или ветровая нагрузка. Несмотря на то, что распределенная нагрузка в пределах элемента может быть только равномерной, графический редактор предоставляет возможность задать распределенную нагрузку, как функцию координат узлов. При этом нагрузка в пределах каждого ванта будет вычислена как среднее арифметическое значений на концах ванта. Для задания ветровой нагрузки достаточно задать нормативный ветровой напор и ветровой район. Программа учитывает положение каната по отношению к ветровому потоку, вводит коэффициент высотности и вычисляет аэродинамический коэффициент с учетом диаметра каната и скорости ветрового потока. Кроме того, для каждого ванта автоматически учитывается его собственный вес, действие которого, по умолчания, направлено в противоположную сторону глобальной оси Z, а также его масса в динамических расчетах.

Так же, как и обычные конечные элементы, ванты, имеющие одинаковые жесткостные и геометрические характеристики, могут быть объединены в группы. Каждая группа жесткости характеризуется величинами EA – жесткость и p – погонный вес. Характеристики вантового конечного элемента, как и всех других, могут быть заданы в окне графического редактора Инструменты/Свойства или в таблице Конечные элементы табличного редактора. При этом если характеристики задаются в табличном редакторе, ссылку на группу материалов задавать необязательно.

Кроме жесткостных характеристик, каждый конкретный вантовый элемент характеризуется либо своей собственной длиной (в ненапряженном состоянии) или расчетным натяжением. Это обстоятельство накладывает некоторые особые требование на расчет конструкций, содержащих ванты – необходимо указать то особое загружение, для которого справедливы заданные расчетные натяжения вантов. Таким особым загружением в настоящей программе всегда является первое загружение. Программа рассчитывает длины вант, для которых заданы расчетные натяжения по первому загружению, которые (длины) затем используются при расчете всех остальных загружений. При этом нагрузки первого загружения автоматически добавляются к нагрузкам всех остальных загружений. Поэтому нет необходимости дублировать нагрузки, обеспечившие расчетное натяжение вантов, во всех остальных загружениях. Заметим, что если даже и не заданы предварительные натяжения вантов, все равно программа рассматривает первое загружение как особое, нагрузки от которого будут добавлены к нагрузкам всех остальных загружений.

Собственные длины вантов и/или расчетные натяжения вантов могут быть заданы либо в режиме графического редактора ЭЛЕМЕНТЫ/(Вантовый элемент)/НАЗНАЧИТЬ, либо введены в таблице Установки вантовых элементов табличного редактора. Заметим, что одновременно не могут быть заданы длина и расчетное натяжение для конкретного вантового элемента. Если для какого-либо вантового конечного элемента не заданы ни длина, ни расчетное натяжение, программа принимает собственную длину элемента равной расстоянию между узлами крепления элемента.

При задании расчетных натяжений вант следует избегать ситуаций, когда начальное состояние конструкции переопределено. Так, например, задание расчетных натяжений более чем в одном вантовом элементе, включенных в последовательную цепочку таких элементов, скорее всего, создаст ситуацию, когда решение вообще не может быть найдено. В последовательной цепочке вант может быть задано натяжение только одного элемента. Натяжения всех остальных элементов в цепочке могут быть определены только из условия равновесия узлов.

Расчет конструкций, содержащих вантовые конечные элементы, является геометрически нелинейным расчетом. Поэтому, в отличие от обычного статического расчета, перемещения, усилия и напряжения, полученные в результате расчета по отдельным загружениям, нельзя просто складывать, чтобы получить перемещения, усилия и напряжения от комбинаций соответствующих нагрузок. При расчете все упругие элементы считаются по линейной схеме, и только вантовые элементы считаются по геометрически нелинейной схеме. При этом, для вантовых элементов используется точное решение (т.е. программа построит правильное решение с любым провисанием вант).

Расчет реализован в виде итерационного процесса. Сходимость процесса характеризуется точностью расчета, которая равна относительному изменению перемещений узлов конструкции на двух последних итерациях. Точность расчета высвечивается в модуле отображения системы в левом верхнем углу экрана. Программа автоматически прекращает итерационный процесс, если точность становится меньше 10^-5. Если высвеченное значение точности больше указанной величины, то это значит, что программа не смогла обеспечить нужную точность решения. Следствием этого может являться отсутствие равновесия в узлах. Поэтому надо обращать пристальное внимание на значение этого параметра.

Все динамические расчеты, а также расчеты, связанные с построением и накаткой линий влияния, выполняются в режиме линеаризации уравнений состояния вантовых элементов. Т.е. в заданном равновесном состоянии конструкции программа вычисляет мгновенные единичные реакции вантовых элементов и вносит их в левую часть уравнений равновесия. Далее конструкция рассматривается как линейная. Поэтому надо следить за тем, чтобы дополнительные деформации от динамических воздействий, а также от накатки линий влияния были малы по сравнению с деформациями от базового статического загружения.

Перед выполнением таких расчетов программа запрашивает номер статического загружения, на базе которого будет строиться соответствующее линеаризованное решение. Перед динамическими расчетами в режиме сосредоточенных масс необходимо явно выполнить расчет на Свободные колебания конструкции.

В результате расчета для всех упругих элементов будут вычислены все те же характеристики, что и при обычном расчете. Для вантовых элементов будут вычислены собственные длины вантов и натяжения в начале и конце каждого ванта. Кроме того, при просмотре результатов расчета, если задать масштаб деформаций равным 0%, программа покажет реальное провисание вантов.