Шарниры стержня

Шарнир стержня ограничивает внутренние силы, которые передаются от одного стержня к другим стержням. Шарниры можно располагать только на концах стержня, а не в промежуточных 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»

Основы

Вкладка Основы управляет основными параметрами шарнира.

Система координат

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

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

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

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 определить шарнир, установите флажок для соответствующей оси. Флажок означает, что перемещение или поворот стержня в или вокруг соответствующего направления возможен. Константа поступательной или вращательной пружины при этом устанавливается на ноль. 'Жёсткость пружины' можно в любой момент скорректировать, чтобы смоделировать упругий шарнир. Введите жёсткости пружины как расчётные значения.

В столбце Нелинейность можно целенаправленно управлять передачей внутренних сил для каждого компонента. В зависимости от степени свободы в списке нелинейностей доступны подходящие записи для выбора.

Выбор шарнирной нелинейности

Жёсткий при отрицательной или положительной внутренней силе

С помощью этой опции можно просто управлять тем, передаются ли на конце стержня только положительные или отрицательные силы или моменты. Например, шарнир u_x с нелинейностью 'Жёсткий 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 отнесены к локальной системе осей стержня xyz.

Если выбрать другую нелинейность, можно определить параметры на вкладках Частичное действие, Диаграмма, Трение или Диаграмма лесов.

Опции

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

Пример

К одному узлу примыкают четыре стержня. Стержни передают моменты в своей «направлении прохождения», 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 пересекающаяся пара стержней не получает шарнира.

Частичное действие

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

Определение частичной активности шарнира

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

• Полное: Перемещение или поворот через шарнир возможен в полном объёме.
• Жёсткий после предельного перемещения/предельного поворота: Шарнир действует только до определённого перемещения или поворота. При превышении действует жёсткое соединение или защемление.
• Разрыв после предельной силы/предельного момента: Шарнир действует только до определённой силы или момента. При превышении шарнир выходит из строя и больше не передаёт внутреннюю силу.
• Текучесть после предельной силы/предельного момента: Шарнир действует только до определённой силы или момента. При превышении деформации увеличиваются, но внутренняя сила больше нет.
• Отказ пружины: У шарнира с жёсткостью пружины компонент шарнира не действует.

Большинство типов шарниров комбинируются с 'Проскальзыванием', при котором шарнир начинает действовать 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' определите количество точек определения рабочей диаграммы с соответствующими значениями. В столбце 'Сила' или 'Момент' можно затем сопоставить абсциссы 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 деформации увеличиваются, но внутренние силы больше нет.
• 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 действует жёсткое соединение или защемление.

Трение

В списке 'Нелинейность' доступны четыре возможности 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 на вкладке 'Основы' трение зависит от одной или двух внутренних сил. Существует следующая зависимость между силой трения шарнира и нормальной силой или поперечной силой:

Пластичный

Пластичные свойства шарниров важны для Диаграммный метод расчёта. При опции Пластичный нелинейно действующего компонента шарнира доступны четыре возможности (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' определите характеристики пластичных областей. При значении M_y / M_y,тек, например, 1.27 сечение начинает течь при превышении пластического момента. При превышении 127 % пластической несущей способности стержень выходит из строя.

Пластичные предельные внутренние силы определяются автоматически из свойств сечения стержня.

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

Критерии приемлемости

В нижнем разделе можно задать предельные значения критериев текучести, которые должны применяться для безопасности здания. Они, например, регулируются для стальных конструкций 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 пластические деформации становятся в шесть раз больше тех, которые возникают при достижении предела текучести.

Области критериев приемлемости также отображаются на диаграмме.

При одной из двух пластичных опций FEMA критерии приемлемости предустановлены в соответствии с требованиями американской нормы. При необходимости вы можете их адаптировать, установив флажок 'Пользовательский'.

Определите пластиковый шарнир по FEMA 356

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

В статье Пластичные шарниры в RFEM 6 описано, как можно 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 соединения с внутренней трубкой между двумя стержнями. Замещающая модель передаёт — в зависимости от состояния сжатия на конце стержня — изгибающий момент через обжимаемую наружную трубку и, за счёт формозамыкания, дополнительно через внутреннюю трубку.

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

Задать диаграмму лесов для внешней трубы

Для определения параметров доступны возможности, представленные в разделе Диаграмма.