Шарниры стержня

Шарнир стержня ограничивает внутренние силы, которые передаются от одного стержня другим стержням. Шарниры могут располагаться только на концах стержня, а не в точках вдоль стержня.

Некоторые типы стержней уже оснащены шарнирами: например, стержень фермы не передаёт моменты, а вантовый стержень не передаёт ни моменты, ни поперечные силы. таким типам стержней нельзя назначить шарниры. Ввод заблокирован.

Диалоговое окно «Новый шарнир стержня»

Базовые

Во вкладке Базовые управляются основные параметры шарнира.

Система координат

Шарнир стержня может быть привязан к одной из следующих систем координат:

• Локальная система осей стержня x,y,z
• Глобальная система координат X,Y,Z (при необходимости как срезной шарнир)
• Пользовательская система осей U,V,W

Как правило, шарниры привязаны к локальной системе осей стержня. Однако срезные шарниры (см. рисунок Пересечение стержней) возможны только в глобальной или пользовательской системе осей.

Условия шарнира

Условия шарнира разделены на 'Поступательные' и 'Вращательные' степени свободы. Первые описывают перемещения в направлении локальных или глобальных осей, вторые — повороты вокруг этих осей.

Чтобы задать шарнир, установите флажок для соответствующей оси. Галочка символизирует, что перемещение или поворот стержня в соответствующем направлении или вокруг него возможны. Константа линейной или угловой пружины при этом устанавливается равной нулю. Вы можете в любой момент настроить 'Жёсткость пружины', чтобы смоделировать упругий шарнир. Введите жёсткости пружин как расчётные значения.

В столбце Нелинейность вы можете целенаправленно управлять передачей внутренних сил для каждого компонента. В зависимости от степени свободы в списке нелинейностей доступны соответствующие пункты для выбора.

Выбор шарнирной нелинейности

Жёстко при отрицательной или положительной внутренней силе

Это позволяет легко управлять тем, передаются ли на конце стержня только положительные или отрицательные силы или моменты. Например, шарнир u_x с нелинейностью 'Жёстко при N положительной' означает, что на конце стержня передаются растягивающие силы (положительные), но не сжимающие силы (отрицательные). При отрицательных нормальных силах, таким образом, действует шарнир.

При локальной системе координат внутренние силы привязаны к локальной системе осей стержня xyz.

Если выбрать другую нелинейность, параметры можно задать во вкладках Частичное действие, Диаграмма, Трение или Диаграмма лесов.

Опции

'Срезной шарнир' доступен в глобальной или пользовательской системе координат. С его помощью можно смоделировать пересечение сквозных стержней.

Пример

К узлу примыкают четыре стержня. Стержни передают моменты в своём «направлении прохода», но не на другую пару стержней. В узле передаются только нормальные и поперечные силы.

Пересечение стержней с помощью ножничного шарнира

Назначьте шарнир либо стержням 3 и 4, либо стержням 1 и 2. Другая пара пересекающихся стержней не получает шарнир.

Частичное действие

Частичное действие компонента шарнира доступно как нелинейное свойство шарнира стержня (см. рисунок Выбор нелинейности шарнира).

Определение частичной активности шарнира

Задайте действие шарнира для 'Отрицательной области' и для 'Положительной области'. В списке 'Тип' доступны различные критерии действия шарнира.

• Полное: перемещение или поворот через шарнир возможны в полном объёме.
• Жёстко после освобождающего перемещения/освобождающего поворота: шарнир действует только до определённого перемещения или поворота. При превышении вступает в действие жёсткое соединение или защемление.
• Разрыв после освобождающей силы/освобождающего момента: шарнир действует только до определённой силы или момента. При превышении шарнир выходит из строя и больше не передаёт внутреннюю силу.
• Текучесть после освобождающей силы/освобождающего момента: шарнир действует только до определённой силы или момента. При превышении увеличиваются деформации, но не внутренняя сила.
• Отказ пружины: при шарнире с жёсткостью пружины компонент шарнира не действует.

Большинство типов шарниров можно комбинировать с 'Проскальзыванием', благодаря чему шарнир вступает в действие только после определённого перемещения или поворота.

Диаграмма

Диаграмма компонента шарнира доступна как нелинейное свойство шарнира (см. рисунок Выбор нелинейности шарнира).

Определение диаграммы жесткости

В столбце 'Перемещение' или 'Поворот' задайте количество определяющих точек рабочей диаграммы с соответствующими значениями. В столбце 'Сила' или 'Момент' можно затем сопоставить значения абсцисс перемещений или поворотов с силами или моментами шарнира.

Для 'Начала диаграммы' и 'Конца диаграммы' доступны следующие критерии:

• Разрыв: шарнир действует только до максимального значения силы или момента. При превышении наступает полное действие шарнира. Внутренняя сила больше не передаётся.
• Текучесть: шарнир действует только до максимального значения силы или момента. При превышении увеличиваются деформации, но не внутренние силы.
• Непрерывно: за пределами области определения применяется жёсткость пружины последнего шага.
• Упор: допустимая деформация ограничивается максимальным значением перемещения или поворота. При превышении действие шарнира отменяется и вступает в действие жёсткое соединение или защемление.

Трение

В списке 'Нелинейность' доступны четыре варианта для определения трения поступательного шарнира в зависимости от другого компонента шарнира (см. рисунок Выбор нелинейности шарнира).

Определение коэффициентов трения

Передаваемые силы шарнира соотносятся с нормальными или поперечными силами, действующими в другом направлении. В зависимости от выбора во вкладке 'Базовые' трение зависит от одной или от двух внутренних сил. Между силой трения шарнира и нормальной силой или поперечной силой существует следующая зависимость:

Пластичный

Пластичные свойства шарниров важны для диаграммных методов расчёта. Для опции Пластичный нелинейно действующего компонента шарнира доступны четыре варианта (см. рисунок Выбор нелинейности шарнира):

• Билинейный
• Диаграмма
• FEMA 356 | Жёсткий
• FEMA 356 | Упругий

Задать пластический шарнир с билинейными свойствами

В столбцах '"Внутренняя сила" / "Внутренняя сила"_тек' и 'δ / δ_тек' или 'φ / φ_тек' задайте параметры пластичных областей. Например, при значении M_y / M_y,тек равном 1,27 сечение начинает течь при превышении пластичного момента. При превышении 127 % пластичной несущей способности стержень выходит из строя.

Пластичные предельные внутренние силы автоматически определяются из характеристик сечения стержня.

Длина стержня влияет на расчёт жёсткости пластичного шарнира. Как правило, она автоматически определяется из длин стержней, которым назначен шарнир. При необходимости вы можете задать для шарнира 'Пользовательскую длину стержня'.

Критерии приемлемости

В нижнем разделе можно задать предельные значения критериев текучести, которые должны применяться для безопасности здания. Например, для стальных конструкций они регулируются в таблице 5-5 нормы ASCE FEMA 356 [1]. Так, при значении φ / φ_тек равном 6,000 критическое значение для 'Безопасности жизни' достигается, как только пластичные деформации становятся в шесть раз больше тех, которые возникают при достижении предела текучести.

Области критериев приемлемости также отображаются на диаграмме.

Для одной из двух пластичных опций FEMA критерии приемлемости предустановлены согласно требованиям американской нормы. При необходимости вы можете их настроить, установив флажок 'Пользовательские'.

Определите пластиковый шарнир по FEMA 356

В списке задайте 'Тип компонента'. Критерии приемлемости для первичных и вторичных компонентов регулируются в [1] таблице 5-5.

В специальной статье Пластичные шарниры в RFEM 6 описано, как использовать пластичный шарнир для диаграммного метода расчёта.

Диаграмма лесов

Диаграмма лесов компонента шарнира доступна как нелинейное свойство шарнира (см. рисунок Выбор нелинейности шарнира). С её помощью можно отобразить механическое действие вставного трубчатого стыка с внутренней трубкой между двумя стержнями. Заменяющая модель передаёт — в зависимости от состояния сжатия на конце стержня — изгибающий момент через обжимаемую наружную трубку и, дополнительно за счёт формозамыкания, через внутренний трубчатый стержень.

Свойства шарнира можно описать раздельно во вкладках 'Диаграмма лесов | Внутренняя труба' и 'Диаграмма лесов | Наружная трубка'.

Задать диаграмму лесов для внешней трубы

Для задания параметров доступны возможности, представленные в разделе Диаграмма.