Физическое и численное моделирование стальных и сталежелезобетонных конструкций из труб

 
 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

Федеральное государственное бюджетное 

образовательное учреждение высшего образования 

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» 

 

 

И.В. Шкода, П.А. Хазов, А.П. Помазов, А.К. Ситникова, Д.А. Кожанов 

 

 

 

 

 

 

ФИЗИЧЕСКОЕ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 

СТАЛЬНЫХ И СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ 

КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ТРУБ 

 

 

 

Монография 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нижний Новгород 

ННГАСУ 

2023 
 

ББК 22.25  
Ф 48 
УДК 624.046  
Печатается в авторской редакции 

Рецензенты: 

А.И. Притыкин – доктор технических наук (2.1.1 - строительные конструкции, здания и 
сооружения), доцент, профессор кафедры судостроения, судоремонта и морской техники 
ФГБОУ ВО «Калининградский государственный технический университет» 
В.А. Кикеев – кандидат технических наук (01.02.06 - динамика, прочность машин, приборов 
и аппаратуры), доцент кафедры Аэро-гидродинамики, прочности машин и сопротивления 
материалов ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет 
им. Р.Е. Алексеева» 
Д.М. Бриккель – кандидат физико-математических наук (01.02.04 - механика 
деформируемого твёрдого тела), ведущий инженер отдела расчетов строительных 
конструкций ООО «Нижегороднефтегазпроект» 
 

Шкода И.В. Физическое и численное моделирование стальных и 
сталежелезобетонных конструкций из труб [Текст]: монография / И.В. Шкода, 
П.А. Хазов, А.П. Помазов, А.К. Ситникова, Д.А. Кожанов; Нижегород. гос. 
архитектурно-строит. ун-т. – Нижний Новгород, 2023. – 135 с. 
ISBN 978-5-528-00520-1 
В монографии представлены результаты экспериментальных и численных 
исследований в области напряженно-деформированного состояния полых труб и труб, 
заполненных бетоном. Приводятся результаты расчетов узлов сопряжения и их 
оптимизации. Рассмотрены основные этапы деформирования и разрушения, вопросы 
устойчивости, условий закрепления сжатых конструкций. Предлагаются расчетные 
методики, основанные на проведенных экспериментах. 
Монография предназначена для специалистов, работающих в области механики 
деформируемого твердого тела, проектирования и расчетов строительных конструкций, 
обследований и эксплуатации зданий и сооружений, а также для студентов и аспирантов 
технических вузов. 
Данная работа выполнена при поддержке гранта Правительства Нижегородской 
области для молодых ученых от "1" декабря 2022 г. № 316-06-16-80а/22. 
Рисунков 74. Табл. 12. Библиограф.: 78 назв. 
 

ББК 22.25 

 

ISBN 978-5-528-00520-1 
© 
© 
Коллектив авторов, 2023 
ННГАСУ, 2023 
 
 
 

Содержание 

ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................................... 5 

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ЧИСЛЕННОГО АНАЛИЗА С ПОМОЩЬЮ РАЗЛИЧНЫХ 

ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ ............................................................................................ 8 

   1.1 О необходимости расчета строительных конструкций в различных программно-

вычислительных комплексах ....................................................................................................... 8 

   1.2 Расчёт узлов стальных конструкций. Состояние вопроса .............................................. 10 

   1.3 Метод конечных элементов ............................................................................................... 14 

      1.3.1 Основные понятия МКЭ .............................................................................................. 14 

   1.4 ANSYS Workbench ................................................................................................................ 17 

      1.5 Компас APM FEM ............................................................................................................ 19 

   1.6 SolidWorks ............................................................................................................................ 23 

   1.7 IDEA StatiCa Connection и компонентный метод конечных элементов ........................ 25 

      1.7.1 Компонентный метод конечных элементов ............................................................... 25 

      1.7.2 Программа IDEA StatiCa – инструмент на основе КМКЭ ........................................ 27 

   1.8 Пример расчета НДС узла пространственной конструкции .......................................... 32 

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 ............................................................................................................. 34 

ГЛАВА 
2. 
ЧИСЛЕННЫЙ 
И 
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ 
АНАЛИЗ 
УЗЛОВЫХ 

СОЕДИНЕНИЙ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ СТАЛЬНЫХ ТРУБ  И ГНУТОСВАРНОГО 

ПРОФИЛЯ (ГСП) ........................................................................................................................ 37 

   2.1 Экспериментальная оценка нормативной методики расчета устойчивости центрально-

сжатых стержней из стальных труб ........................................................................................... 37 

   2.2 Численные исследования вариантов узлов ребристо-кольцевого купола из круглых и 

прямоугольных труб .................................................................................................................... 44 

      2.2.1 Узел 1 из гнутосварных труб прямоугольного сечения ........................................... 45 

      2.2.2 Узел 1 из круглых труб ................................................................................................ 48 

      2.2.3 Узел 2 из круглых труб ................................................................................................ 50 

   2.4 Узел 2 из гнутосварных труб прямоугольного сечения ................................................. 64 

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 ............................................................................................................. 83 

ГЛАВА 
3. 
ЧИСЛЕННЫЕ 
И 
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ 
ИССЛЕДОВАНИЯ 

ТРУБОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ..................................................................................... 86 

   3.1 Общие сведения о трубобетоне ......................................................................................... 86 

   3.2 Подходы к расчету трубобетонных конструкций в мировой практике ........................ 88 

   3.3 Экспериментальное исследование прочности и устойчивости композиционных 

трубобетонных образцов малогабаритных сечений ................................................................ 90 

3.3.1 Объект исследования ................................................................................................... 92 

      3.3.2 Исследование вопросов прочности малогабаритных трубобетонных образцов .... 93 

      3.3.3 
Исследование 
вопросов 
устойчивости 
малогабаритных 
трубобетонных  

образцов ...................................................................................................................................... 104 

   3.4 Численное исследование прочности и устойчивости трубобетонных элементов с 

совместным применением стержневых и твердотельных расчетных моделей ................... 108 

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 ........................................................................................................... 118 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................................... 120 

Список литературы .................................................................................................................... 122 

Список основных работ, опубликованных авторами по теме монографии ......................... 132 

 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Научно-технический прогресс в области строительства тесно связан с 

проблемами развития и совершенствования металлических и композитных 

конструкций. Металл был и остается одним из главных материалов 

строительного производства, а его использование в композитах является 

весьма эффективным и относительно экономичным.  

Развитие технологии производства позволило изготовить легкие 

стальные конструкции с коэффициентом запаса прочности не меньшим, чем у 

традиционных, изготовляемых из горячекатаных профилей. 

Применение замкнутых сечений – круглых и прямоугольных труб – 

обеспечивает дополнительную экономию металла, а также быстрые темпы 

возведения конструкций в сочетании с высокой технологичностью, 

эксплуатационной надежностью, долговечностью, минимальным количеством 

элементов и сварных швов, преимуществом при нанесении покрытий, 

увеличением освещенности, малым аэродинамическим сопротивлением и 

современным архитектурным дизайном. Кроме того, конструкции из 

замкнутых стержней обладают повышенной устойчивостью при монтаже. 

Несмотря на указанные преимущества, элементы из трубчатого 

профиля не застрахованы от аварий, которые вызваны разрушением узлов. Это 

объясняется тем, что несущая способность таких конструкций в большей мере 

определяется прочностью их узловых соединений, представляющих сложную 

пространственную систему с высоким градиентом напряжений. 

Новые материалы, используемые в строительстве, и их сочетания 

являются важной составляющей современной науки и техники. Не менее 

успешное 
применение 
замкнутых 
сечений 
нашло 
в 
сталебетонных 

конструкциях, в которых круглые и прямоугольные трубы используются как 

полноценный несущий элемент.  Одной из разновидностей сталебетонных 

конструкций является трубобетон, представляющий собой замкнутую 

стальную трубу, в которой размещается и специальным образом уплотняется 

бетонная смесь, в результате чего образуется композитная совместная 

конструкция, объединяющая в себе основные преимущества классических 

стальных и железобетонных элементов, нивелируя и значительно снижая 

влияние их недостатков. 

Трубобетонные конструкции экономичны, их применение уменьшает 

вес сооружений в 2–3 раза, трудозатраты в 4–5 раз, стоимость в 2–3 раза по 

сравнению 
с 
железобетонными. 
По 
сравнению 
с 
металлическими 

конструкциями 
при 
незначительном 
увеличении 
веса 
достигается 

существенное снижение стоимости (до 40%) и уменьшение расхода стали (в 

2–3 раза). 

Расчет сварных, фланцевых узловых соединений из труб, а также 

конструкций из трубобетона ручным методом представляет собой довольно 

сложную задачу, так как учесть все факторы работы таких конструкций 

довольно проблематично. Поэтому чаще всего для экспрессного анализа 

напряженного 
состояния 
конструкции 
применяется 
компьютерное 

математическое моделирование в различных программно-вычислительных 

комплексах. 

В настоящей монографии отражены результаты экспериментальных и 

численных исследований стальных и сталежелезобетонных конструкций из 

труб.  

В первой главе приводится информация о необходимости расчета 

строительных конструкций в различных независимых расчетных комплексах, 

рассматриваются четыре программных комплекса, решающие поставленные 

задачи методом конечных элементов: ANSYS, Компас APM FEM, SolidWorks и 

IDEA StatiCa. 

Во 
второй 
главе 
отражены 
результаты 
численного 
и 

экспериментального анализа узловых соединений конструкций из круглых 

стальных 
труб 
и 
гнутосварного 
профиля 
прямоугольного 
сечения. 

Предложены различные варианты узловых соединений на примере ребристо-

кольцевого купола и оценена эффективность каждого из них. Кроме этого, 

проведена экспериментальная оценка нормативной методики расчета 

устойчивости центрально-сжатых стальных труб.  

В третьей главе приводится анализ результатов численного и 

экспериментального изучения прочности, устойчивости и деформативности 

трубобетонных конструкций малогабаритных сечений. Описаны испытуемые 

образцы (бетон, железобетон, стальная труба, трубобетон и армированный 

трубобетон), экспериментальная установка, характер разрушения каждого из 

образцов. Построены диаграммы деформирования и приведено сравнение 

несущих способностей образцов. Предложена математическая модель 

деформирования трубобетонных образцов, позволяющая аналитически 

описать деформативность трубобетонных элементов при центральном сжатии 

на основании известной диаграммы деформирования стальной трубы.  

 
 

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ЧИСЛЕННОГО АНАЛИЗА С ПОМОЩЬЮ 

РАЗЛИЧНЫХ ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ 

Изучение статей в различных научных журналах показало, что 

результаты, полученные при натурных испытаниях полноразмерной модели и 

расчетных моделей, имеют высокую степень сходимости. К тому же, 

численные исследования в программных комплексах имеют ряд преимуществ. 

Во-первых, 
это 
дает 
возможность 
отбросить 
ложные 
показания 

измерительных приборов, основываясь на данных расчетной модели. Во-

вторых, экспериментальные данные позволяют исправить неточности 

расчетной модели, задать корректные параметры для отображения истинной 

картины напряженно-деформированного состояния соединения. Например, 

численные исследования дают возможность инженеру узнать напряженно-

деформированное состояние фланца и болтов не только на поверхности, но и 

изучить внутренние напряжения, недоступные для отслеживания с помощью 

измерительных приборов. 

Все это позволяет оценить реальное напряженно-деформированное 

состояние и использовать расчетную модель в практических целях для 

создания более совершенных изделий. 

К 
тому 
же 
многие 
задачи 
требуют 
огромных 
затрат 
на 

экспериментальную реализацию. Поэтому чаще всего компьютерное 

математическое моделирование является единственной возможностью 

экспрессного анализа инженерной проблемы. 

1.1 О необходимости расчета строительных конструкций в 

различных программно-вычислительных комплексах 

При расчете зданий и сооружений инженер руководствуется тремя 

основными положениями: 

− Федеральный закон РФ от 30 декабря 2009 г. № 384 – Ф3; 

− Постановление РФ от 28 мая 2021 года № 815 [41]; 

− ГОСТ 
27751-2014 
«Надежность 
строительных 
конструкций 
и 

оснований. Основные положения и требования». 

В главе 3, статье 16 ФЗ-384 указано, что обеспечение требований 

механической безопасности в проектной документации здания или 

сооружения должно быть обосновано расчетами и иными способами. 

Необходимо учесть факторы, определяющие напряженно-деформированное 

состояние, 
особенности 
взаимодействия 
элементов 
строительных 

конструкций между собой и основанием, пространственную работу 

строительных конструкций, геометрическую и физическую нелинейность, 

возможность образования трещин и др. Для соблюдения вышеперечисленных 

требований при расчете зданий и сооружений необходимо пользоваться 

актуальными версиями современных расчетных комплексов. На практике 

применяются программы (ПК STARKON, ЛИРА 10, Scad Office, ЛИРА – САПР 

и др) [51]. 

Актуальней становится вопрос о выполнении расчётов в двух 

независимых расчетных программах для сравнения и получения объективных 

результатов. Органы экспертизы в необходимых случаях могут требовать 

выполнение расчета сооружения по двум независимым сертифицированным 

расчетным комплексам независимо от сложности здания, ссылаясь на 

следующие нормативные документы: 

− ГОСТ 
27751-2014 
«Надежность 
строительных 
конструкций 
и 

оснований. Основные положения и требования» п.12.4 «Необходимо 

предусмотреть проверку того, что: использованы объективные расчетные 

модели, а сами расчеты проведены с необходимой точностью; в этих целях 

рекомендуется проведение параллельных расчетов с использованием 

независимо разработанных, сертифицированных программных средств, 

сравнительный анализ расчетных схем и полученных результатов расчета» 

[18]; 

− Главгосэкспертиза России письмо от 28 июня 2004 года № 24-10-3/1281 

«О повышении качества расчетных обоснований проектных решений 

строительных конструкций» [38]; 

− ТСН 31-332-2006 Санкт – Петербург «Жилые и общественные высотные 

здания» п.7.3.17 «Расчет оснований высотных зданий следует, как правило, 

выполнять не менее, чем по двум сертифицированным, независимо 

разработанным расчетным программам с использованием разных расчетных 

моделей» [53]; 

− И многие другие. 

Инженер, используя два расчетных комплекса, сможет качественней 

проанализировать расчетную схему, выявить неточности и ошибки на ранней 

стадии и повысить качество выдаваемого результата. Немаловажным является 

тот факт, что многие локальные расчеты по-разному реализованы в различных 

программных комплексах (расчет на продавливание и др.), поэтому выполнять 

расчет надежнее в разных программах [35].  

1.2 Расчёт узлов стальных конструкций. Состояние вопроса 

Сегодня трудно представить расчёт какой-либо конструкции без 

использования современных программно-вычислительных комплексов (далее 

ПВК). По мере развития информационных технологий функциональные 

возможности ПВК расширяются, позволяя решать более сложные задачи, в 

том числе с учётом физической, геометрической и конструктивной 

нелинейности. Широкие возможности ПВК позволяют создавать модели 

зданий и сооружений, максимально приближенные к реальности – с учётом 

жёсткости соединений элементов, нелинейной работы материала и др. 

В большинстве случаев чрезмерная детализация расчётной схемы и учёт 

различных 
типов 
нелинейности 
являются 
неоправданными. 
Время, 

затраченное на подготовку расчётной схемы и сам расчёт, не оправдывается 

избыточной точностью получаемых результатов. 

Для того, чтобы избежать чрезмерной детализации при расчёте зданий и 

сооружений, используются различные упрощения расчетной схемы. К 

примеру, все линейно-протяжённые конструкции – балки, колонны – 

моделируются стержневыми элементами; плоские элементы – плиты и стены 

– пластинчатыми элементами или просто нагрузками. Сопряжения элементов 

друг с другом и конструкций с основанием также описываются упрощённо. 

Реальные размеры соединений не учитываются, равно как и их жёсткость. Все 

узлы условно делятся на «жёсткие» (передающие вращательные усилия) и 

«шарнирные» (не воспринимающие моменты) (рисунок 1.1).  

 

Рисунок 1.1 – Жёсткое (слева) и шарнирное (справа) сопряжение [6]. 

В пункте 5.1.1 раздела 5 Еврокода 1993-1-8-2009 отмечено, что в расчёте 

следует учитывать влияние работы узловых соединений на распределение 

внутренних усилий и моментов в конструкции. В этом же разделе приводится 

чуть более широкая классификация узлов по типу модели – они делятся на 

шарнирные, жёсткие и полужёсткие узлы. Зачастую при составлении 

расчётной схемы здания или сооружения конструкция узлов заранее 

неизвестна. Она прорабатывается уже после выполнения расчёта. Поэтому 

может случиться так, что узел, который ранее считался жёстким, после 

конструирования окажется полужёстким, что, в свою очередь, приведёт к 

перераспределению усилий. Таким образом, усилия, по которым подбирались 

диаметры болтов, катеты сварных швов и толщины рёбер жёсткости, могут 

измениться. По этой причине процесс приходится повторять несколько раз [6]. 

Даже в случае простых схем с небольшим количеством конструктивных 

элементов процесс может занять довольно много времени – каждый узел 

должен быть сконструирован должным образом, чтобы воспринять 

полученные усилия. Использование типовых решений (серии, пособия) может 

упростить процесс, однако при расчёте конструкций сложной формы зачастую 

требуется детальная проработка нестандартных узлов. 

Расчёт стандартных узлов (рисунок 1.2, слева) можно выполнить 

вручную – для них существуют различные пособия, серии и нормативные