Часто при расчете зданий промышленного назначения или прочих специализированных конструкций следует учитывать воздействие от предполагаемой работы оборудования. Как учитывать нагрузки от оборудования в SCAD Office, будет рассказано в текущей статье.
Динамические нагрузки от действия таких машин (например, ветрогенераторы, станки, электродвигатели и т.д.) вместе с ударным воздействием задаются согласно исходным данным, которые оформлены в паспортах на каждый вид оборудования, приложенные к техническому заданию. В расчетных программах данные о воздействии оборудования задаются в формате гармонических колебаний. Напомню, что это такие колебания, при которых значение физического воздействия постоянно изменяется по гармонической закономерности, то есть по синусоиде или косинусоиде.
Создание загружения гармонических колебаний в SCAD
Рассмотрим в качестве примера установку ветрогенератора Whisper 200 (рис. 1) на опору антенную (башню) высотой Н=21 м (рис. 2). Это оборудование планируется размещать на верхней площадки башни. Данные, которые необходимы для расчета в SCAD в данном случае — масса общая, масса вращающихся частей, частота оборотов при пиковой нагрузке от воздействия ветра.
После того, как на башню назначены все основные внешние воздействия, в частности, ветровое, можно приступать к созданию нового динамического загружения — гармонические колебания. Находится эта настройка в списке «Прочие воздействия» (рис. 3). Так же как в случае с сейсмическим или ветровым пульсационным воздействиями (так как это все динамика) необходимо совершить сбор статических нагрузок в массы, в частности — собственный вес и полезная нагрузка, к которому массу работающего оборудования прибавлять не надо, так как это будет учтено при задании самого гармонического воздействия.
Коэффициенты преобразования статических нагрузок в массы таковы:
- Постоянные — 1.0
- Длительные — 1.0
- Кратковременные — 0.35 (которые не имеют длительной части, например, ветер не засчитывается)
- Снеговая — 0.7
Во вкладке настройки загружения (рис. 4) есть возможность выбора 3 методик проведения расчета:
- Расчет с учетом пусковых резонансов — в случае рассмотрения ситуации разгона двигателя с 0 оборотов до заданной частоты.
- Расчет на заданную частоту — в случае, если к моменту расчета оборудование уже в рабочем состоянии с рабочей частотой.
- Расчет на заданную частоту с учетом возможной ошибки в определении собственных частот.
Так как ветрогенератор будет работать, начиная с воздействия ветра от 3.5 м/с, то в моменты штиля вращения не будет. Потому нужный вариант именно с учетом пусковых резонансов, вплоть до предельной частоты в 24 Гц. Число учитываемых частот колебаний определяется модальным анализом.
Круговая частота внешнего воздействия — скорость вращения двигателя, F, где f — частота вращения двигателя (об/сек):
После применения заданных исходных данных, в списке загружений появляется новое (рис. 5).
Задание инерционных характеристик динамического загружения
Нагрузки от оборудования в SCAD имеют заранее известные параметры. На этом этапе необходимо обозначить физические значения и расположение работающего оборудования на расчетной схеме, используя паспорта на устрйоства. Задавать такое воздействие нужно через кнопку «Параметры динамических нагрузок» (рис. 6) при активном созданном на предыдущем этапе динамическом загружении.
Ввод данных о гармонических колебаниях в SCAD
В новом окне выбрать «Гармонические колебания» и задать параметры воздействия:
- X, Y, Z — направление действия гармонических колебаний.
- Вес массы в узле — масса оборудования, создающего колебания. Как раз именно эта масса не входит в статическое загружение «Полезная нагрузка». Например, масса ветрогенератора Whisper 200 составляет немногим более 30 кг.
- Величина амплитуды — значение, на которое происходит изменение массы оборудования. Амплитуда центробежной силы вычисляется по формуле согласно СП 413.1325800.2018. Расчет этого параметра представлен ниже.
- Закон колебаний – закон работы, по sin или cos.
- Сдвиг фазы (радиан) – значение сдвига фазы.
После введения всех данных (рис. 7), необходимо выбрать узел приложения на расчетной схеме и нажать «Ок». В дереве проекта, в режиме «Линейный расчет» во вкладке «Динамика» необходимо выбрать в управлении динамикой «Итерации подпространств».
Расчет нормативное значение амплитуды динамической нагрузки R
Нормативное значение амплитуды динамической нагрузки R, изменяющейся во времени по гармоническому закону, вычисляют по формуле:
- m — масса возвратно-поступательно движущихся или вращающихся частей машины, вычисляемая по формуле.
- G — номинальный вес возвратно-поступательно движущихся или вращающихся частей машины;
- g — ускорение силы тяжести;
- e — амплитуда перемещений центра масс, равная радиусу эксцентрика, половине хода в машинах с возвратно-поступательным движением массы, нормальному эксцентриситету вращающейся массы в ротационных машинах или нормальному приведенному эксцентриситету при сложном движении частей.
Эксцентриситеты и массу вращающихся частей (0,4 от массы машины) можно принять по приведенной ниже таблице из справочника от 1984 г. Приведенные эксцентриситеты можно определить согласно указаниям разделов 4, 5, 6, 10 и 12 «Инструкции по определению динамических нагрузок от машин, устанавливаемых на перекрытиях промышленных зданий от 1966 г.» В данном случае е принято 0,5 мм. Коэффициент надежности по нагрузке принят равный 1,4.
- w — круговая частота вращения главного вала машины, рад/с, вычисляемая по формуле:
- N — число оборотов главного вала машины в 1 мин.
Подставляя свои значения в формулы, полученное нормативное R переводится коэффициентами запаса в расчетное значение и указывается в окне на рис. 7. В конечном счете в расчетной схеме приложенное воздействие будет выглядеть так, как на рис. 8.
Как определить тип динамической нагрузки?
Тип динамической нагрузки от оборудования определяется следующим образом:
- Вес стационарного оборудования – длительная;
- В пускоостановочном режиме – кратковременная;
- Вызванные временной поломкой оборудования – особая.
- Удар от падающего тела принимается как особая нагрузка.
Анализ нагрузки от оборудования в SCAD после расчета
Анализ результатов при решении задачи «Гармонические колебания» осуществляется в режиме «Печать таблиц»:
- В окне «Оформление результатов расчета» выбрать пункт «Динамика»;
- Далее необходимо нажать «Формирование документа» и «Просмотр результатов».
Выбрать из открывшихся четырех документов в формате «Блокнот» документ с индексом «.p11» с инерционными нагрузками. S1 и S2 – амплитуды синусоидальной и косинусоидальной составляющих суммарной силы.
При расчете на гармонические колебания каждая i-тая форма колебаний порождает пару инерционных сил – действительную и мнимую составляющую. Эта пара составляющих называется i-тым вариантом (S1 или S2).
Составляющие инерционных сил варианта не имеют физического толкования, но их использование в качестве статических загружений позволяет определить амплитудные значения перемещений, усилий и напряжений для этого варианта.
Расчетная амплитуда So суммарной силы определяется по формуле:
Результаты армирования и подбора элементов металлических конструкций проводятся аналогичным образом, как и при решении стандартной классической задачи.