В учебном пособии рассмотрены вопросы автоматизированного расчета и проектирования строительных металлических конструкций. Изложены технологии и методы математического моделирования. Показаны способы построения расчетных конечно-элементных моделей. Для студентов и магистров строительных специальностей высших учебных заведений, аспирантов и инженерно-технических работников проектных организаций.

Рецензенты: Кафедра «Строительные конструкции» Братского государственного университета, зав. кафедрой, к.т.н., профессор В.А. Люблинский; доктор технических наук, профессор кафедры «Строительные конструкции и инженерные сооружения» ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» В.Ф. Сабуров; кандидат технических наук, профессор Московского Государственного Строительного Университета Е.В. Шилов.

Об авторах
Предисловие

Раздел I. Курсовое проектирование

Глава 1. Общие положения расчета стальных конструкций в среде ПК ЛИРА
1.1. Назначение и возможности
1.2. Типы сечений
1.3. Типы узлов
1.4. Задание дополнительных данных для подбора или проверки сечений
1.5. Конструктивные и унифицированные элементы
1.6. Проверки несущей способности элементов
1.7. Описание алгоритмов расчета элементов
1.8. Сквозной расчет элементов
1.9. Локальный расчет элементов
1.10. Представление результатов расчета элементов
1.11. Расчет узлов
1.12. Создание чертежей в программе ЛИРА-КМ
Литература к главе 1

Глава 2. Расчет элементов балочной клетки
2.1. Общие положения
2.2. Задание листового проката в программе «Сортамент»
2.3. Расчетная схема главной балки и определение усилий
2.4. Подбор или проверка сечений сварной главной балки составного сечения
2.5. Расчет второстепенных балок и колонн
2.6. Пример расчета сечения однопролетной балки в локальном режиме работы программы ЛИР-СТК
2.7. Расчет поясных соединений
Литература к главе 2

Глава 3. Расчет и проектирование балочной клетки
3.1. Общие положения
3.2. Исходные данные
3.3. Расчетная схема балочной клетки, определение усилий и их расчетных сочетаний
3.4. Подбор или проверки сечений конструктивных элементов
3.5. Расчет и конструирование узла сопряжения балок
3.6. Расчет базы колонны
3.7. Выполнение чертежей с помощью программы ЛИРА-КМ, интегрированной в среду AutoCAD
Литература к главе 3

Глава 4. Расчет арочных конструкций
4.1. Общие положения
4.2. Особенности задания геометрии конечно-элементных моделей арок
4.3. Определение ветровых и снеговых нагрузок
4.4. Расчетная схема арки, определение усилий и их расчетных сочетаний
4.5. Подбор или проверка стального сечения арки
4.6. Расчет деревянного сечения арки
4.7. Расчет устойчивости арки
Литература к главе 4

Глава 5. Расчет поперечной рамы одноэтажного производственного здания
5.1. Общие положения
5.2. Исходные данные
5.3. Расчетная схема поперечной рамы, определение усилий и их расчетных сочетаний
5.4. Подбор или проверка сечений конструктивных элементов поперечной рамы
5.5. Документирование результатов расчета
Литература к главе 5

Глава 6. Деревянные конструкции
6.1. Общие положения
6.2. Расчет поперечной рамы складского помещения
6.3. Расчет раскоса фермы цельного сечения
6.4. Расчет колонны клееного сечения
6.5. Расчет колонны составного сечения
Литература к главе 6

Раздел II. Дипломное проектирование, исследовательские задачи

Глава 7. Тонкостенные стержни и оболочки
7.1. Общие положения
7.2. Прочность тонкостенных стержней
7.3. Определение геометрических характеристик тонкостенных сечений
7.4. Устойчивость тонкостенных стержней и оболочек
7.5. Пример моделирования и расчета балок с поперечно гофрированной стенкой 
7.6. Дипломный проект: «Стальной силос для бетонных смесей объемом 6000 м3»
Литература к главе 7

Глава 8. Подкрановые конструкции
8.1. Общие положения
8.2. Численные исследования напряженного состояния стенки и поперечных ребер жесткости подкрановых балок, воспринимающих внецентренную крановую нагрузку
Литература к главе 8

Глава 9. Вантовые и мембранные конструкции
9.1. Общие положения
9.2. Моделирование висячего покрытия системы В.Г. Шухова
Литература к главе 9

Приложение 1. Курсовой проект № 1 : «Рабочая площадка промышленных зданий»
Приложение 2. Курсовой проект № 2: «Стальные конструкции промышленных зданий»
Приложение 3. Курсовой проект: «Деревянные конструкции»
Приложение 4. Дипломный проект: «Расчет стального силоса для смешивания смесей»
Приложение 5. Студенческая научно-исследовательская работа: «Сравнительная оценка применимости ПК ЛИРА к расчету тонкостенных пологих составных конструкций, состоящих из конических оболочек»

Об авторах

Нилов Алексей Александрович — канд. техн. наук, профессор кафедры металлических и деревянных конструкций Киевского национального университета строительства и архитектуры, г. Киев, Украина.

Направление научной деятельности — исследование металлических конструкций рамного и балочного типа, в том числе из тонколистовой стали с учетом закритической работы. Разработал методы расчета прочности и устойчивости стальных цилиндрических оболочек надшахтных башенных копров, балок с гибкими и гофрированными стенками, складчатых бескаркасных зданий.

Лазнюк Михаил Васильевич — канд. техн. наук, ведущий инженер лаборатории сопровождения и внедрения программных комплексов ЛИРА и МОНОМАХ Государственного научно-исследовательского института автоматизированных систем в строительстве, г. Киев, Украина.

Направление научной деятельности — исследование металлических конструкций из тонколистовой стали с учетом неупругой работы материала. Разработал методы расчета прочности и устойчивости стальных балок с гофрированными стенками.

Мартынова Марина Леонидовна — канд. техн. наук, зав. кафедрой «Промышленное и гражданское строительство» филиала государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет», г. Златоуст, Российская Федерация.

Направление научной деятельности — разработка методики оценки усталостной долговечности сварных подкрановых балок, реализация ее в программном обеспечении.

Направление научно-исследовательской работы со студентами — исследование напряженного состояния и пространственной работы стальных конструкций зданий и сооружений, а также концентрации напряжений их узлов на основе моделирования в ПК ЛИРА.

Барабаш Мария Сергеевна — канд. техн. наук, доцент кафедры компьютерных технологий в строительстве Национального авиационного университета, ведущий научный сотрудник Государственного научно-исследовательского института автоматизированных систем в строительстве, г. Киев, Украина.

Направление научной деятельности — компьютерные технологии проектирования конструкций, системы автоматизированного проектирования. Разработка интегрированной линии проектирования и управления строительством.

Пресняков Николай Иванович — канд. тех. наук, ректор негосударственного образовательного учреждения «институт научно-технического общества строителей», г.Москва, Российская Федерация.

Направление научной деятельности - исследование новых методов обучения с применением информационно - телекоммуникационных технологий. CALS-технологии в строительстве и разработка методов построения информационно-коммуникационных систем зданий, сооружений и их комплексов.

Предисловие

Современные учебники для вузов по дисциплине «Металлические и деревянные конструкции» в разделах, касающихся определения НДС и расчета элементов металлических конструкций (МК) и деревянных конструкций (ДК), в основном оперируют инженерными методиками расчета. Особенностям расчета МК и ДК с использованием ЭВМ уделяется очень мало внимания или не уделяется вовсе. Эти вопросы, как правило, рассматриваются очень бегло, или опять же, как правило, материал подается на основании внутри кафедральных разработок для учебного процесса. Стоит, правда, отметить, что использование в учебном процессе промышленных комплексов, таких как ПК ЛИРА, в некоторых вузах отображено в методических указаниях к курсовым проектам. Существенным недостатком методических указаний является ограниченность материала, и при выполнении дипломного проекта или исследовательских работ студенту практически некуда заглянуть. Аналогичная ситуация возникает и в последипломной работе. Все чаще в требованиях к специалистам, принимаемых на работу в проектные организации в качестве инженеров-конструкторов, звучит требование о знании программных средств для расчета конструкций.

Основной целью написания данного учебного пособия является необходимость восполнить существующий пробел. Поскольку это первое пробное издание по МК, предшествующее массовому внедрению САПР в учебный процесс (к сожалению, проведенные изыскания показывают, что внедрение компьютерных технологий в подавляющем большинстве вузов на кафедрах строительных конструкций или находится в зачаточном состоянии, или же им отводится недопустимо малое количество часов).

В данном учебном пособии излагаются технологии математического моделирования и численного анализа металлических конструкций и их элементов в среде ПК ЛИРА, а также в демонстрации некоторых возможностей применения Пакетов прикладных программ (ППП): «Стальные конструкции», «Деревянные конструкции», «Мостовые конструкции», «Статика, динамика, устойчивость», «Геометрические характеристики сечений», «Нагрузки и воздействия» и «Математика для инженера» при расчете и проектировании металлических и деревянных конструкций. Авторы надеются, что материал, изложенный в данном учебном пособии, пригодится студентам не только в учебном процессе, но и в последующей работе в проектных и научно-исследовательских организациях. Также, по мнению авторов, эта книга может быть полезна для аспирантов, защищающихся по дисциплинам 05.23.01,05.23.17, и инженерно-технических работников проектных организаций.

К учебному пособию прилагается мультимедийный обучающий курс на CD «ПК ЛИРА 9.2». Курс представляет собой сборник примеров моделирования и численного анализа конструкций в среде программного понимания ЛИРА. Приведенные примеры снабжены обучающими рисунками с объяснениями преподавателей, пошаговым сопровождение действий при работе с программой и тренажерами. Рассмотренные примеры дают возможность самостоятельно обучится работе с ПК ЛИРА 9.2.

Пособие разбито на два основных раздела.

Раздел I. Курсовое проектирование содержит методику построения конечно-элементных моделей и расчета конструкций, изучаемых в учебном процессе. Раздел I ориентирован на студента (пользователя), начинающего знакомиться с ПК ЛИРА.

В главе 1 кратко отражены необходимые для понимания дальнейшего материала обозначения, расчетные предпосылки и понятия, используемые в ПК ЛИРА. Последующие главы посвящены расчету и проектированию стальных конструкций: элементов балочной клетки, простых арочных систем, а также поперечника промышленного здания. В главе 6 рассматривается пример создания и расчета в ПК ЛИРА конечно-элементной модели рамного поперечника, выполненного из деревянных конструкций. Также глава 6 снабжена примерами расчетов поперечных сечений элементов поперечника с помощью ППП «Деревянные конструкции».

Предполагается, что читатель знаком с основами сопротивления материалов и строительной механики, а также с идеей метода конечных элементов. Предполагается также, что читатель имеет некоторые навыки работы на компьютере.

Раздел II. Дипломное проектирование, исследовательские задачи содержит рекомендации по составлению расчетных схем и способам их решения, примеры математических моделей металлических конструкций различного типа и назначения. Приведенные примеры численного анализа металлических конструкций взяты из дипломных проектов, диссертационных работ, а также из практики проектирования существующих объектов.

Авторы выражают благодарность д-ру техн. наук, проф. А.С. Городецкому, д-ру техн. наук, проф. В.А. Пермякову, д-ру техн. наук, с.н.с. И.Д. Евзерову, канд. техн. наук, проф. В.З. Клименко, канд. техн. наук, с.н.с. Ю.Д. Гераймовичу, инженерам: А.В. Горбовцу, Е.И. Торбенко, Д.В. Медведенко, С.В. Литвиненко, Т.А. Ниловой, В.П. Титку и Н.И. Преснякову за помощь в написании книги.