Введение: Ангар в авиации – это специализированное помещение для стоянки, ремонта и техобслуживания самолетов, вертолетов, дирижаблей и других летательных аппаратов. Кроме этого, ангары могут быть приспособлены для иной техники крупных габаритов [1].
Несущей конструкцией ангара является поперечная рама пролетом 92 м, выполненная из стержней двутаврового сечения переменной жесткости. Отметка низа конструкции рамы + 30,500. К фундаменту рама крепится на болтах через опорную плиту, таким образом, место крепления рамы представляет собой шарнирный узел. По рамам устраиваются решетчатые прогоны ПР-16,5 по серии 1.462.3-17/85 с шагом 3,5 м, пролетом 12 м. Стальной профилированный настил Н 57-750-0,8 опирается на прогоны. По верхним и нижним поясам рам переменного сечения установлены связи, обеспечивающие жесткость покрытия и устойчивость сжатых элементов. (Рисунок 1-5).
Рисунок 1. Схема расположения сток и связей по стойкам
Рисунок 2. Схема связей по верхнему поясу
Рисунок 3. Разрез 1-1
Рисунок 5. Разрез 2-2
Расчётная схема - идеализированная модель конструкции, представленная в виде системы узлов, стержней, связей, задания жесткостей и нагрузок. Эта схема максимально отражает все особенности существующего объекта. Расчётная схема (РС) рамы выполнена с применением пакета прикладных программ "SCAD Office"[2].
В качестве модели принята пространственная конечно-элементная модель (КЭ-модель), учитывающая геометрические параметры и характер распределения нагрузок (собственный вес, вес кровли, крановая нагрузка, снеговая нагрузка, ветровая нагрузка). Переходим к выбору типа схемы. Тип схемы определяет состав и максимальное количество степеней свободы в узлах расчетной схемы. Для расчёта данной пространственной схемы принимаем 5-тый тип схемы – Система общего вида.
Следующим этапом приступаем к созданию геометрии расчетной схемы. В качестве РС рамы переменного сечения используется аппроксимация элементов рамы стержневыми элементами постоянного сечения. Как расчетная принимается ось, проходящая через центры тяжести двутавровых сечений элементов рамы. Это довольно трудоёмкая задача, так как рама переменного сечения имеет переменность по высоте стенки и по ширине полок, что тоже вносит определенные усложнения.
Задается рама с помощью функции «Ввод узлов» и «Ввод стержневых элементов» (подраздел «Узлы и элементы», вкладка «Узлы) и «Элементы» соответственно). Узлы создаются и соединяются отдельными стержневыми элементами. Колонны и балки разбиваются по 1 метру с помощью функции «Разбивка стержня».
Копируем раму в направлении y с помощью функции «Копирование схемы». Элементы решетчатых прогонов имеют сложные сечения. В качестве упрощения схемы можно задаться одним стержнем, имеющим сложное сечение из швеллеров. Для этого можно использовать «Конструктор сечений» в составе «SCAD Office». Эта программа позволяет создать любое произвольное составное сечение. Прогоны можно задать только между первыми двумя рамами и дальше просто размножить при помощи функции «Копирование схемы».
После таких сложных и трудоёмких операций рекомендуется проверить данную схему на корректность для дальнейшей успешной работы. Для этого необходимо:
1) найти и объединить совпадающие узлы и элементы;
2) произвести упаковку данных;
3) произвести экспресс-контроль РС.
После прохождения этих операций схема будет готова для последующих действий. В качестве конечных элементов принят 5-ый тип конечных элементов (пространственный стержень).
Следующим этапом задаём жёсткости элементов. Элементы каркаса металлической рамы имеют переменное сечение в виде сварных двутавров переменной жесткости, но SCAD не обладает возможностью задания таких сечений. Для выполнения расчета, используется метод разбиения элемента на более мелкие части постоянной жесткости.
После задания всех типов жесткостей (жёсткость колонн, балок, связей, прогонов) приступаем к назначению опорных связей. Сопряжение колонн ангара с фундаментами принято шарнирным. Таким образом, начальные узлы колонн принимаем шарнирными и закрепляем по направлениям X, Y, Z, Uy. [3]
Следующим шагом в задании РС рамного каркаса является назначение шарниров в узлах. Во вкладке «Установка шарниров» ставим галочки в узле 1 (начальный узел элемента относительно местных осей), или в узле 2 (конечный узел элемента относительно местных осей), или сразу в обоих по направлениям Uy, Uz. (эти направления соответствуют пространственной схеме). Этим самым мы освобождаем элементы от угловых связей. Важно, чтобы в каждом узле шарниров было не больше, чем (n-1), где n-количество соединяемых стержней в узле.
После выполнения всех действий в данной последовательности получаем готовую расчётную схему (Рисунок 6).
Последним шагом для создания полноценной расчётной схемы, готовой к последующему расчёту, является создание загружений. На раму переменного сечения действуют следующие виды нагрузок:
Постоянные нагрузки:
1 - собственный вес конструкции рамы (L1)
2 - нагрузка от веса покрытия (L2)
Рисунок 6. Расчётная схема рамного каркаса ангара
Кратковременные:
3 - снеговая нагрузка (L3, L4)
4 - ветровая нагрузка (L10, L11)
Крановые нагрузки:
5 - давление крана (L5, L6, L12)
6 - торможение крана(L7, L8, L9)
Рассмотрим подробнее каждую из этого списка:
1. Собственный вес конструкций.
Подсчёт собственного веса конструкций, входящих в РС, выполняется автоматически в соответствии с объёмным весом. Для стали γn = 7850 кг/м3; γf = 1,05 – коэффициент надёжности по нагрузке (таблица 7.1) [4]. Нагрузка задаётся на каждый элемент распределённая.
2. Нагрузки от веса покрытия
Постоянная нагрузка от веса покрытия включает в себя вес кровельных сэндвич –панелей.
Расчетная линейная нагрузка от веса покрытия на прогон составляет 1,582кН/м. Коэффициент надежности по нагрузке составляет 1,05 [4]. Нагрузка задается на прогоны распределенной.
3. Снеговая нагрузка
Нормативное значение снеговой нагрузки принимаем согласно п. 10.1 СП 20.13330.2016. Нормативное значение снеговой нагрузки составляет S0=2,0 кН/м2. Коэффициент надёжности по нагрузке принимаем равным 1,4 [4]. Нагрузка задаётся распределённой на прогоны.
4. Ветровая нагрузка
Нормативное значение ветровой нагрузки w принимаем согласно п. 11.1.2 [4]. Аэродинамические коэффициенты выбираются по таблице В.2 приложения В [4]: с наветренной стороны: 
; с подветренной стороны: 
.
Пульсационная составляющая ветровой нагрузки автоматически задаётся в расчётном комплексе SCAD в зависимости от геометрических характеристик сооружения, типа местности, ветрового района и статического ветрового загружения.
Коэффициент надёжности по нагрузке для ветровой нагрузки составляет 1,4. Распределенная нагрузка задаётся на колонны с помощью функции «Нагрузка на стержни»[4].
5. Крановая нагрузка
Нагрузки от подвесных кранов следует определять в зависимости от групп режимов их работы, устанавливаемых ГОСТ 25546-82, от вида привода и от способа подвеса груза [4].
Полные нормативные значения вертикальных нагрузок, передаваемых колесами кранов на балки кранового пути, и другие необходимые для расчета данные следует принимать в соответствии с требованиями государственных стандартов на краны, а для нестандартных кранов - в соответствии с данными, указанными в паспортах заводов- изготовителей[5]. Коэффициент надежности по нагрузке для крановых нагрузок следует принимать равным 1,1. Наибольшее давление, действующее на раму: Dmax=56,44кН.
6.Торможение крана
Горизонтальная сила, расположенная в плоскости поперечной рамы, возникает из-за перекосов крана, торможения тележки, распирающего воздействия колес при движении по рельсам, расстояние между которыми несколько меньше пролета крана и т. п. Расчетное значение силы, передаваемой на поперечную раму, составляет: Тmax=3,80кН. Сила Тmax прикладывается в уровне нижнего пояса рамы.
Все заданные загружения необходимо сохранить с помощью функции «Сохранить/Добавить загружение». После данного этапа расчётная схема полностью готова для выполнения статического расчёта в программном комплексе «SCAD Office».