Начальные несовершенства — CSfea
Начальные геометрические несовершенства — крен, погибь, погибь стен по ярусам и несовершенство по форме потери устойчивости — задаются в схеме отдельным загружением и учитываются в секущем расчёте CSfea по теории второго порядка. Результат — перемещения и усилия второго порядка с учётом несовершенств, которые затем идут в наборы усилий и проверки по КЭ.
Назначение и место в цепочке
- Нормативная основа — EN 1993-1-1 п. 5.3 (сталь) и EN 1992-1-1 п. 5.2 (железобетон), для ЖБ дополнительно случайный эксцентриситет п. 8.1.7 СП 63 как погибь. Подробно — Нормы.
- Несовершенства действуют только в нелинейном расчёте CSfea с включённой геометрической нелинейностью (второй порядок, см. Геометрическая нелинейность). В линейном CSfea и в секущем расчёте без геометрической нелинейности они не учитываются (предупреждение во входе), с «Большими перемещениями» — ошибка входа. В OpenSees несовершенства не передаются.
- Проверка стали по СП 16 по усилиям с несовершенствами остаётся проверкой с коэффициентом φ и расчётными длинами: в строках проверки выводится примечание «усилия второго порядка с несовершенствами EN 1993-1-1 5.3; проверка устойчивости по СП 16 с φ выполнена дополнительно, в запас». Отказ от φ-проверки по EN 1993-1-1 п. 5.2.2(7)a в OpenCS не реализован.
- Для ЖБ проверки по КЭ берут усилия с погибью и ставят η = 1 (примечание «усилия второго порядка с несовершенствами (EN 1992-1-1 5.2 / СП 63 п. 8.1.7 — погибь в усилиях, η = 1)»).
Нормы
Значения норм сверены по текстам ТКП EN 1993-1-1-2009 и DIN EN 1993-1-1:2010-12 (EN 1993-1-1:2005+AC:2009), ТКП EN 1992-1-1-2009 с поправкой AC:2019 и СП 63.13330.2018. Национальные приложения не применяются — используются рекомендуемые значения.
EN 1993-1-1 п. 5.3.2 — сталь
Крен (5.3.2(3)a, ф. (5.5)):
h — высота конструкции, м; m — число колонн в ряду с \(N_{Ed}\) больше 50 % средней (по DIN; в ТКП — «не менее»).
Погибь (5.3.2(3)b, табл. 5.1) — \(e_0/L\) по кривой потери устойчивости:
| Кривая (табл. 6.2) | Упругий расчёт | Пластический расчёт |
|---|---|---|
| a₀ | 1/350 | 1/300 |
| a | 1/300 | 1/250 |
| b | 1/250 | 1/200 |
| c | 1/200 | 1/150 |
| d | 1/150 | 1/100 |
Кривая — по табл. 6.2 по сечению и стали КЭ (колонка S460 — при \(R_{yn} > 440\) МПа) или вручную.
Когда погибь нужна (5.3.2(6)): в рамах, чувствительных ко второму порядку, у сжатого элемента с хотя бы одним концом, воспринимающим момент, при \(\bar\lambda > 0{,}5\sqrt{A f_y/N_{Ed}}\), что равносильно \(N_{Ed} > 0{,}25\,N_{cr}\), \(N_{cr} = \pi^2 EI/L^2\).
Несовершенство по форме потери устойчивости (5.3.2(11), ф. (5.9)–(5.11)) — взамен крена и погибей:
\(\alpha_{ult,k}\) — наименьший множитель продольных сил \(N_{Ed}\) до сопротивления \(N_{Rk}\) наиболее напряжённого сечения без учёта потери устойчивости (по DIN, прим. 1, изгибающими моментами можно пренебречь); \(\alpha_{cr}\) — множитель до потери устойчивости; \(EI\,\eta''_{cr}\) — изгибающий момент от формы в критическом сечении; χ — по (6.49): \(\Phi = 0{,}5[1 + \alpha(\bar\lambda - 0{,}2) + \bar\lambda^2]\), \(\chi = 1/(\Phi + \sqrt{\Phi^2 - \bar\lambda^2}) \le 1\), α — табл. 6.1 (0,13 / 0,21 / 0,34 / 0,49 / 0,76 для a₀…d); \(\gamma_{M1} = 1{,}0\) — рекомендуемое значение (п. 6.1(1)).
EN 1992-1-1 п. 5.2 — железобетон
— то же выражение, что у стали, но l и m — по одному из трёх случаев п. 5.2(6) (отдельный элемент: l — длина, m = 1; раскрепляющая система: l — высота здания; диафрагма перекрытия: l — высота этажа), правила «50 % средней» нет. Для отдельного элемента — эксцентриситет \(e_i = \theta_i\,l_0/2\) (5.2), \(l_0\) — расчётная длина; для стен и колонн раскреплённых систем упрощённо \(e_i = l_0/400\). Несовершенства учитываются всегда (5.2(1)P).
СП 63.13330 п. 8.1.7 — случайный эксцентриситет
\(e_a \ge \max(l/600,\ h/30,\ 10\ \text{мм})\), где l — длина элемента или расстояние между его сечениями, закреплёнными от смещения, h — высота сечения. В СП 63 это эксцентриситет проверки сечения; в OpenCS он может быть задан как погибь со стрелкой \(e_a\). В расчёте второго порядка она складывается с эксцентриситетом от усилий расчёта — для статически определимых конструкций это совпадает с п. 8.1.7, для статически неопределимых идёт в запас против \(\max(e_0, e_a)\).
Как учитывается несовершенство
Несовершенство задаётся полем начальных перемещений \(u_0\) на узлах сетки (у стержней — и внутри КЭ). Геометрия схемы не меняется: в секущем расчёте второго порядка поле даёт правую часть
то есть схема ведёт себя как схема с искривлённой или наклонённой осью, а усилия — истинные усилия второго порядка. Это эквивалентно заданию сил рис. 5.3–5.4 EN 1993-1-1: у крена — пары \(\varphi N\) на уровнях концов, у погиби-параболы — погонной \(8N e_0/L^2\) и сил \(4N e_0/L\) на концах.
Виды несовершенств и эквивалентные им силы.
- Крен — \(u_0 = \varphi\,(z - z_0)\) в выбранном направлении плана для всех узлов охвата.
- Погибь — парабола \(w_0 = 4e_0\,\xi(1-\xi)\) по хорде соосной цепочки стержневых КЭ вдоль местной оси y или z; парабола воспроизводится функциями Эрмита КЭ точно, поэтому дробления для неё не требуется.
- Погибь стен — в каждом ярусе стены между уровнями раскрепления (перекрытия, примыкания) — своя парабола вдоль нормали стены; на уровнях \(u_0 = 0\).
- Формы — \(u_0 = \sum a_i\,\varphi_i\) по формам постановки устойчивости; внутри КЭ секущей сетки форма между узлами берётся по сплайну через точки дробления постановки, чтобы полуволна внутри длинного КЭ не терялась.
Загружение-несовершенство
В диалоге загружения — тип «Несовершенство» (в дереве — значок e₀). Это не нагрузка: в сочетания СП 20 не входит, γf, ψ, доля длительности и собственный вес не задаются. В комбинации и выражении стадии слагаемое несовершенства — множитель поля \(u_0\): в сочетаниях оно всегда учитывается как постоянное (коэффициент 1), в длительной части — целиком; «все загружения» его не включают.
Элементы несовершенства добавляются в контекстном меню загружения в дереве схемы (загружение сначала нужно сохранить вместе со схемой):
| Команда | Вид |
|---|---|
| Добавить крен… | Крен |
| Добавить погибь… | Погибь |
| Погибь стен… | Погибь стен |
| Формы потери устойчивости… | Формы |
| Изменить…, Удалить | правка и удаление элемента |

Загружения-несовершенства рамы в дереве схемы и команды загружения.

Диалог загружения вида «Несовершенство».
Все виды открывают один диалог: Имя, Вид, Норма — «EN 1993-1-1 (сталь)», «EN 1992-1-1 (ЖБ)» или «СП 63.13330 (ЖБ)», параметры вида, Комментарий и схема-подсказка.
Крен
| Поле | Что задаёт |
|---|---|
| Относительно | «Вся схема» или «Перечень КонЭ и КЭ» (КонЭ, КЭ сетки; кнопка Из выделения 3D берёт выделение открытого редактора схемы) |
| Направление, ° от +X | направление крена в плане, против часовой стрелки |
| φ по EN 1993-1-1 (5.5) / θᵢ по EN 1992-1-1 (5.1) / 1/φ вручную | способ задания; кнопка по (5.5) считает φ и показывает ход вычисления; при «φ по (5.5)» поле 1/φ недоступно и показывает вычисленное значение |
| h, м | высота по (5.5); пусто — размах z охвата по сетке |
| m | число колонн; после расчёта — подсказка по стойкам с \(N_{Ed}\) больше 50 % средней |

Крен рамы по (5.5): h — размах z охвата по сетке, m = 2; ход вычисления — по кнопке «по (5.5)».
Погибь
| Поле | Что задаёт |
|---|---|
| КонЭ / Цепочки КЭ | у каждого КонЭ — своя погибь по его длине; для схем без КонЭ — цепочки стержневых КЭ через «;» |
| Плоскость | вдоль местной y или z |
| Стрелка e₀ | EN 1993: «L/e₀ по табл. 5.1» (Кривая: «авто — по сечению (табл. 6.2)» или a₀…d; упругий/пластический расчёт), «L/e₀ вручную», «e₀ абсолютно, мм»; EN 1992: «eᵢ = θᵢ·l₀/2 по (5.2)», «eᵢ = l₀/400» (μ: \(l_0 = \mu L\)); СП 63: «e_a по п. 8.1.7» (h сечения, мм; пусто — по сечению КЭ в плоскости погиби) |
| Знак | «авто — по прогибу первого порядка», «+», «−» |
| Учитывать | сталь: «по п. 5.3.2(6) (N_Ed > 0,25·N_cr, конец с моментом)» или «всегда»; ЖБ — всегда (EN 1992-1-1 п. 5.2(1)P) |

Погибь стоек рамы по табл. 5.1: кривая по сечению, знак и активность — по предварительному расчёту.

ЖБ-погибь по п. 8.1.7 СП 63: e_a = max(3600/600, 400/30, 10) = 13,3 мм.
Знак «авто» и критерий 5.3.2(6) решаются предварительным упругим расчётом первого порядка. Для нераскреплённого ЖБ-элемента (μ ≥ 2) несовершенство \(e_i = \theta_i\,l_0/2\) по существу — наклон: такой элемент задают креном (подсказка в диалоге).
Погибь стен
Стены — КонЭ или КЭ пластин; режим стрелки — как у ЖБ-погиби («eᵢ = l₀/400» по умолчанию, \(l_0 = \mu\,h_{яр}\); «eᵢ = θᵢ·l₀/2»; «e_a по п. 8.1.7 СП 63: max(h_яр/600, t/30, 10 мм)»; «h_яр/e₀ вручную»; мм), t стены, мм (пусто — толщина КЭ), знак. Ярусы — интервалы высоты стены между уровнями раскрепления (примыкание перекрытий и невертикальных стержней, низ и верх стенки); знак «авто» определяется для каждого яруса отдельно. Кнопка Ярусы показывает разбивку и стрелки по текущей сетке. Чтобы погибь яруса была представима, нужно не меньше 2 КЭ по его высоте (лучше 4), иначе — предупреждение и \(u_0 = 0\) в ярусе.

Погибь стены с перекрытием на отметке 3 м: кнопка «Ярусы» показывает разбивку и стрелки.

Поле u₀ погиби стены: две полуволны по ярусам, знаки «авто» решены для каждого яруса.
Формы потери устойчивости
Источник — посчитанная постановка «Расчётные длины — CSfea» той же схемы.
| Поле | Что задаёт |
|---|---|
| Постановка, Задача | постановка устойчивости и её задача (сочетание или огибающая сжатия); ниже — λ форм |
| Формы и амплитуды | номер формы и амплитуда, мм, со знаком (форма нормирована на наибольшее поступательное перемещение = 1), или флажок по (5.9) и знак − |
| Амплитуда по (5.9): γ_M1, Кривая, Крит. КЭ | γ_M1 (1,0); кривая для α и χ («авто» — по табл. 6.2 по сечению критического КЭ); номер критического КЭ (пусто — автоматически) |
| Амплитуды | вычисляет амплитуды по текущей сетке, сечениям и формам с ходом вычисления |
Амплитуда по (5.9) вычисляется так:
- \(N_{Ed}\) — продольные силы стержней той же задачи постановки, по которой получены λ; \(\alpha_{ult,k} = \min N_{Rk}/|N_{Ed}|\) по сжатым стержням со стальным сечением, \(N_{Rk} = A\,R_{yn}\). Сжатые стержни без стального сечения (ЖБ) и пластины в \(\alpha_{ult,k}\) не входят — предупреждение.
- Критическое сечение — там, где достигается \(\alpha_{ult,k}\) (тогда обе формы записи (5.9) совпадают); при равенстве в пределах 1 % — сечение с наибольшим \(|M|/M_{el,Rk}\) формы; можно задать КЭ вручную. Если момент формы в критической точке меньше 10 % наибольшего по схеме — предупреждение: амплитуда велика.
- \(M_{Rk} = M_{el,Rk} = W_{el,min}\,R_{yn}\) относительно оси изгиба формы в критической точке; \(\alpha_{cr} = \lambda\) формы (у формы 1 — наименьшее λ задачи; для форм с номером больше 1 принимается их λ с примечанием, что норма говорит об определяющей форме).
- \(\bar\lambda\), χ, \(e_0\) — по формулам выше; при \(\bar\lambda \le 0{,}2\) амплитуда равна 0 (предупреждение).
- \(EI\,\eta''\) — изгибающий момент формы, записанный при расчёте устойчивости: момент продольно-поперечного изгиба подэлементов дробления \((K_e + \lambda K_\sigma)\,d\) (одно \(K_e d\) завышало бы его на \((kh)^2/12\) — 1,3 % при 8 КЭ на полуволну и 5 % при 4); \(N_{cr} = \alpha_{cr}\,|N_{Ed}|\) критического сечения; \(\eta_{init} = e_0\,N_{cr}/|EI\,\eta''|\).

Форма 1 колонны TEST-IMP-03 с амплитудой по (5.9): ход вычисления — по кнопке «Амплитуды».
Моменты формы и продольные силы задачи записываются начиная с версии с поддержкой (5.9): у постановок, посчитанных раньше, режим «по (5.9)» сообщает, что постановку нужно пересчитать (амплитуда в мм работает). Если геометрия схемы изменилась после расчёта устойчивости, формы считаются устаревшими. Формы не сочетаются с креном и погибями в одном варианте расчёта (п. 5.3.2(11) — «взамен»).
Расчёт
- Одиночный расчёт. Загружение-несовершенство входит в нагрузку стадии — через комбинацию с ним или само по себе; его коэффициент в выражении — множитель \(u_0\) (например, «−1» — несовершенство в обратную сторону). Слагаемое в нагрузку стадии не входит; несовершенства стадий объединяются, и один и тот же элемент с разными коэффициентами в разных стадиях — ошибка входа.
- Предварительный расчёт. Перед расчётом варианта выполняется упругий расчёт первого порядка: по нему определяются знак «авто» погибей (в сторону прогиба первого порядка; при коэффициенте «−1» — против) и активность по 5.3.2(6) (N_Ed и N_cr — в отчёт). Если он не выполнен, знак принимается «+», а погиби учитываются всегда (сообщение в результате). У вариантов только с формами предварительный расчёт не нужен.
- Пакет вариантов. В постановке пакета — блок «Несовершенства (EN 1993-1-1 п. 5.3)»: отмеченные загружения-несовершенства, опция «± (оба знака)». Каждый элемент пакета считается с каждым отмеченным несовершенством (с «±» — в двух вариантах с коэффициентами +1 и −1, теги «… · несовершенство+» и «…−»); элемент, в выражении которого несовершенство уже есть, не перемножается.

Пакет рамы: две комбинации × несовершенство в двух знаках — четыре варианта.
Результат
Вкладка «Несовершенства» окна результата (у пакета — показанного варианта):
- Крен — элемент, направление, h, подсказка m, источник φ (ход вычисления);
- Погиби — элемент, L, плоскость, кривая, источник e₀, e₀, N_Ed, N_cr, учтена ли и почему, знак и его источник;
- Формы потери устойчивости — элемент, постановка, задача, форма, λ, амплитуда, источник (ход (5.9) или «вручную»);
- Погибь стен по ярусам — стена, ярус, h, t, e₀, знак, источник;
- строка α_cr (при наличии посчитанной постановки устойчивости с той же геометрией; при \(\alpha_{cr} \ge 10\) второй порядок не обязателен, иначе множитель \(1/(1-1/\alpha_{cr})\) — справочно) и max|u₀|; если в варианте есть погиби, — строка о предварительном расчёте (выполнен ли он). Пустые таблицы не показываются.

Результат рамы с креном и погибями: погибь К1 учтена (N_Ed > 0,25·N_cr), погибь К2 — нет.
Кнопка «Показать несовершенство» на панели результата в 3D-виде схемы показывает деформированную схему \(u_0\) варианта (крен и активные погиби с решёнными знаками, формы) в масштабе.

Поле u₀ рамы: крен и активная погибь стойки К1.
Наборы усилий и проверки
- Наборы усилий расчёта с несовершенствами несут признак несовершенств — имена загружений-несовершенств с коэффициентами («Крен X», «−Крен X», «0,5·Погибь», через « + »); у набора группы пакета с вариантами разных несовершенств — через «; ».
- Сочетания по СП 20 из наборов с разными несовершенствами (или с ними и без них) — с предупреждением: у таких комбинаций признака несовершенств нет.
- Проверки стали и ЖБ по КЭ — с примечанием в строках (см. Назначение).
Тесты и сверки
| Проверка | Эталон | OpenCS |
|---|---|---|
| Консоль H = 4 м, крен φ = 1/200, P = 0,5·P_cr — смещение верха (TEST-IMP-01) | φ·tg(kH)/k = 36,337 мм | 36,337 мм |
| Шарнирный стержень L = 6 м, e₀ = L/300, P = 0,5·P_cr — прогиб середины (TEST-IMP-02) | 8e₀/(kL)²·(sec(kL/2) − 1) = 40,599 мм | 40,598 мм |
| Амплитуда формы по (5.9) для полусинуса (TEST-IMP-03) | η_init = e₀ (5.10) = 21,51 мм | 21,51 мм (−0,002 %) |
Крен и погибь ≡ эквивалентные силы рис. 5.3–5.4 (ImperfectionSecondOrderTests) |
перемещения, моменты и реакции расчёта с силами | совпадение в пределах допуска теста 10⁻⁶ |
Полуволна формы на одном КЭ: вектор нагрузки против \(N\int w_0'\,\delta w'\,dx\) (ImperfectionModesTests) |
2aN/π на поворотах концов | отклонение 0,003 % |
Шарнирная колонна по форме 1 постановки (4 КЭ, дробление 8), P = 0,5·P_cr — полный прогиб середины (ImperfectionModesTests) |
2a | отклонение 0,02 % |
Упругая колонна, погибь EN 1992 \(l_0/400\) (ImperfectionRcTests) |
аналитика второго порядка | −0,002 % |
Стена-полоса, погибь яруса \(l_0/400\) (ImperfectionRcTests) |
та же стена с искривлённой геометрией | +0,11 % |
ЖБ колонна 300×300, B25/A500, физическая нелинейность, N = 0,35·N_ult, погибь e_a = 10 мм (ImperfectionRcTests) |
та же колонна с искривлённой осью | прогиб +0,05 %, момент +0,03 % |
Рама с заделками — форма 1 против крена с той же max|u₀| — справочная: форма рамы не чисто сдвиговая, расхождение смещения верха 6,4 %, момента заделки 2,8 %.
Ограничения
- Изгибно-крутильная погибь (5.3.4(3)), закручивание конструкции (5.3.2(10)) и несовершенства систем связей (5.3.3) не задаются.
- Силы в диафрагмах перекрытий по EN 1992-1-1 (5.5)/(5.6) не моделируются; μ для eᵢ задаётся вручную (расчётные длины постановки устойчивости автоматически не подставляются).
- Погибь стен — только по высоте ярусов (раскрепление поперечными стенами по горизонтали не учитывается).
- Формы потери устойчивости в схеме только из пластин (без стержней) недоступны: постановка «Расчётные длины — CSfea», источник форм, требует стержни и без них не выполняется («В схеме нет стержней для расчётных длин»). Для таких схем — погибь стен по ярусам и крен. В смешанной схеме пластины входят в задачу устойчивости, и \(u_0\) формы прикладывается и к их узлам; амплитуда задаётся в мм или по (5.9) — по стальным стержням.
- Амплитуда по (5.9): \(M_{Rk} = M_{el,Rk}\) (\(M_{pl,Rk}\) не используется), класс сечения 4 (\(A_{eff}\), \(W_{eff}\)) не учитывается, \(\alpha_{ult,k}\) — только по стальным стержням и только по N.
- Национальные приложения не применяются: φ₀, θ₀, табл. 5.1 и γ_M1 — рекомендуемые значения (γ_M1 задаётся параметром).
- Несовершенства — только в секущем CSfea со вторым порядком (геометрическая нелинейность без флажка «Большие перемещения»: с ним — ошибка входа); в линейном CSfea (в том числе с P-Δ источника) и в OpenSees не учитываются.
- Отпечаток геометрии, по которому формы признаются актуальными, не видит правку значений таблицы жёсткостей (только номер жёсткости) и ГУ разрезов фрагмента.
- Показ \(u_0\) в 3D — по узлам сетки КЭ; точки дробления формы внутри КЭ не показываются.