Материал: Информационная система расчета строительных объектов в сейсмоопасных регионах

Компьютерное моделирование прочности и динамики строительных конструкций основано на методе конечных элементов (МКЭ), реализованном в программных комплексах. В отличие от машиностроения, энергетики и аэрокосмической промышленности, где широко распространены так называемые тяжелые универсальные зарубежные пакеты (ABAQUS, ANSYS, NASTRAN, COSMOS), в промышленном, гражданском и транспортном строительстве расчеты, как правило, проводятся специализированными пакетами («Лира», MicroFE (Stark ES) и др.), разрабатываемыми в странах СНГ.

Несомненными достоинствами этих пакетов являются широкая практика применения, наличие сертификатов Госстроя, подтверждающих учет методик СНиП. Возможностей данных пакетов достаточно для решения типовых практических задач, применяемые в них алгоритмы прошли испытание временем.

Упомянутые пакеты примерно идентичны по своим возможностям. Сравнение их - дело сложное и неблагодарное, и определяющим фактором здесь нередко выступали вкусы или привычки пользователей либо специфика решаемых задач.

В то же время широкое распространение нетипового строительства и точечной застройки, повышение высотности зданий и строительство ряда большепролетных сооружений уникальной архитектуры привело к усложнению решаемых задач. Появилась необходимость учета следующих моментов, не получивших должного разрешения в специализированных пакетах:

·        большие размеры моделей (от 100 тыс. узлов) и необходимость поддержки многопроцессорных расчетов;

·        трудоемкость подготовки моделей и совершенствование алгоритмов автоматической генерации сеток;

·        геометрическая нелинейность поведения большепролетных сооружений;

·        учет физической нелинейности поведения железобетона (пластичность, ползучесть и т.д.);

·        необходимость совместного учета грунта и конструкции в нелинейной постановке;

·        сложный характер ветрового нагружения и его большая динамическая составляющая;

·        необходимость анализа нештатных ситуаций в высоконелинейной динамической постановке с учетом разрушения;

·        необходимость решения нетиповых задач теплообмена и вентиляции;

·        оптимизация проектных параметров нетиповых конструкций.

.4.1 ANSYS

Одним из популярных пакетов, используемых для расчета строительных конструкций и не только, является ANSYS.

Встроенный в ANSYS язык программирования APDL (напоминающий фортран) позволяет строить модели параметрически, создавать собственные типовые модели-примитивы, включать пользовательские алгоритмы. Поддерживаются параметры, массивы, запрос информации из баз данных, ввод-вывод в текстовые файлы, циклы, условные переходы, встроенные математические функции, макросы, шифрование и многое другое. Особенно эффективен он при обработке и анализе результатов. Рядом пользователей реализованы даже методики СНиП./CivilFEM разработан как дополнительный модуль ANSYS. Комбинация обеих программ (пакет ANSYS+CivilFEM) дает возможность инженерам-строителям производить расчеты на высоком научном уровне, с применением мощнейших современнейших вычислительных технологий, а также позволяет выполнять сейсмические расчеты, расчет нелинейной потери продольной устойчивости, проверку и проектирование железобетонных и металлических профилей и т.д., наглядно снижая время, необходимое для проектирования и расчетов, в той же мере, как и увеличивая качество проектов и эффективность новых строительных методик.

При расчете на сейсмические воздействия в ANSYS можно использовать как линейно-спектральный анализ, так и анализ переходных процессов.

При линейно-спектральном подходе используется исходное сейсмическое воздействие, за данное в виде спектра (зависимость ускорения от частоты) и включающее:

·        вычисление фактора участия каждой собственной частоты конструкции по результатам модального анализа;

·        нахождение максимальных ускорений для каждой формы собственных колебаний из за данного спектра отклика;

·        масштабирование перемещений, полученных из модального анализа, до физических форм, основанных на ускорении, факторе участия и круговых частотах;

·        сложение полученных результатов по принципу суперпозиции в окончательный результат.

Главным преимуществом линейно-спектральной теории является то, что лежащий в основе расчета спектр отклика может быть получен путем наложения и/или вероятностной обработки спектров, соответствующих многим реальным записям сейсмических колебаний грунта.

Таким образом, данный метод позволяет учесть опыт прошлых землетрясений, и чем больше их было рассмотрено при построении спектра, тем меньше вероятность того, что при новом землетрясении нагрузки на сооружение превысят ожидаемые. По мере получения новых данных спектр может дополнительно уточняться.

Линейно-спектральный анализ - это поиск вклада каждой формы собственных колебаний в результирующее возмущение от входного спектра отклика, поэтому для такого типа анализа предварительно требуется провести модальный анализ. Безусловным плюсом программного комплекса ANSYS является возможность проводить модальный анализ преднапряженных конструкций даже в нелинейной постановке.

При анализе переходных процессов для адекватного моделирования сейсмического воз действия используются кинематические нагрузки (зависимость перемещений от времени).

В отличие от линейно-спектральной теории при анализе переходных процессов возможен учет физической (нелинейная упругость, пластичность материалов и т.д.), геометрической (если в процессе движения системы ее характеристики из меняются вследствие больших перемещений) и контактной не линейности (изменяющийся статус контакта), что является существенным фактором в некоторых расчетах, например конструкций с вантовым покрытием или при учете взаимодействия конструкции с полуупругим основанием. Помимо этого при расчете конструкции во временной постановке решается так называемое уравнение Ньюмарка, то есть используется прямое пошаговое интегрирование уравнения движения по времени. На практике это означает, что инерционные силы в конструкции, вычисленные на предшествующем шаге, влияют на решение следующего. Несмотря на значительную ресурсоемкость таких расчетов, их выполнение позволяет более адекватно оценить работу несущих конструкций при сейсмических воздействиях.

Подводя итог, можно сказать, что программный комплекс ANSYS имеет в своем составе набор инструментов для решения широкого круга задач сейсмики независимо от характера исходных данных, требуемой точности решения и сложности расчетной схемы. Это дает пользователю возможность сознательно выбирать подход к решению той или иной задачи сейсмики.

1.4.2 MicroFE

Следующим по порядку, но не по значению рассмотрим ПК MicroFE&STARK-ES.

Эта программа как нельзя лучше подходит для выполнения прочностного расчета несущих конструкций зданий и сооружений, а также для оценки устойчивости и собственных колебаний.

В первую очередь, функцией MicroFE является расчет строительных конструкций при помощи метода конечных элементов. В него входят:

·        нелинейный и линейный статический расчет,

·        расчет строительных конструкций на устойчивость,

·        расчет на собственные колебания,

·        предельный жестко-пластический анализ,

·        спектральный анализ матрицы жесткости,

·        применение метода подконструкций для больших систем.

Рис.3 - Пример работы в ПК MicroFE

Быстродействующие алгоритмы для решения и составления систем уравнений Stark ES обеспечивают быструю работу и точные расчеты. Программа самостоятельно производит оценку точности расчета, в соответствии с заданными параметрами.

В список функций Stark ES также входит:

·        проверка прочности и расчет армирования элементов конструкций с учетом требований по трещинообразованию и трещиностойкости,

·        проверка прочности и устойчивости трубожелезобетонных элементов с заданны армированием,

·        возможность подбора сечений по напряжениям для прокатных элементов,

·        оценка прочности пластинчатых и стержневых элементов при динамических и статических воздействиях.

Оценка прочности при динамических и статических воздействиях производится на основе акселерограмм сейсмического движения грунта по п. 2.2,б СНиП II-7-81.

Одно из главных достоинств MicroFE это расчет строительных конструкций на сейсмические воздействия. Программа производит расчет в соответствии со СНиП II-7-81*[1], КМК 2.01.03-96 и «Рекомендациями по определению расчетной сейсмической нагрузки для сооружений с учетом пространственного характера воздействия и работы конструкций» ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко.

Определение сейсмических нагрузок производится при помощи линейно-спектрального метода для произвольного направления сейсмического воздействия и произвольного спектра ответа. В расчете учитываются геометрическая и конструктивная нелинейности и взаимные перемещения опор пространственных и линейно-протяженных сооружений. Также, MicroFE определяет опасные направления динамических воздействий.предлагает следующие возможности моделирования:

·        используя библиотеку шаблонов ферм, рам, поверхностей заданных аналитически и поверхностей вращения;

·        высокоточные ортотропные и изотропные объемные и пластинчатые конечные элементы);

·        элементы для расчета толстых и тонких плит;

·        упругие и идеальные шарниры для стержневых и пластинчатых элементов;

·        упруго-податливые и жесткие опоры в произвольной системе координат, заданной пользователем;

·        обозначение осей растра как архитектурных осей здания, нанесение размерных линий между осями;

·        автоматическая генерация конечноэлементных моделей многоэтажных зданий;

·        при расчете железобетонных плит и стен учет физической нелинейности;

·        стержневые конечные элементы для пространственных и плоских задач, с учетом поперечного сдвига, а также специальные элементы для моделирования канатов и ребер жесткости;

·        определение расстояний между двумя произвольными точками;

·        одно- и двухпараметрические упругие основания;

·        формирование и расчет характеристик произвольных тонкостенных сечений;

Программа позволяет пофрагментно выполнить расчет строительных конструкций, а также учесть изменение расчетной схемы в процессе нагружения.

При этом учитываются:

·        отклонение осей стержневых элементов;

·        свойства конструкций и грунтов при динамических и статических воздействиях;

·        реальные условия работы конструкций в сопряжениях;

·        нагрузки предварительного напряжения и температурные воздействия;

·        геометрическая и конструктивная нелинейность в задачах статики, динамики и устойчивости.

1.4.3 ПК ЛИРА

И еще один из программных комплексов для расчетов - ЛИРА.

ПК ЛИРА - это многофункциональный программный комплекс для расчета, исследования и проектирования конструкций различного назначения.

Кроме общего расчета модели объекта на все возможные виды статических нагрузок, температурных, деформационных и динамических воздействий (ветер с учетом пульсации, сейсмические воздействия и т.п.) ПК ЛИРА автоматизирует ряд процессов проектирования: определение расчетных сочетаний нагрузок и усилий, назначение конструктивных элементов, подбор и проверка сечений стальных и железобетонных конструкций с формированием эскизов рабочих чертежей колонн и балок.

Программные комплексы семейства ЛИРА имеют более чем 40-летнюю историю создания, развития и применения в научных исследованиях и практике проектирования конструкций.

ПК ЛИРА предоставляет возможность производить расчеты объектов с учетом физической и геометрической нелинейностей, моделировать процесс возведения сооружения с учетом монтажа и демонтажа элементов.

При расчетах на сейсмические воздействия ПК ЛИРА позволяет применить метод спектра ответов. Расчет заключается в том, чтобы при заданной функции S0(ω), обычно кусочно-линейной, вычислить линейной интерполяцией значения S0(ωi).

Реализованы следующие модули расчета на динамические воздействия:

Модуль 20 - сейсмическое воздействие по СНиП II-7-81;

Модуль 30 - сейсмическое воздействие по СНиП II-7-81* [1] с изменениями на 01.01.1996 года;

Модуль 35 - сейсмическое воздействие по СНиП II-7-81** с изменениями на 01.01.2000 года;

Модуль 27 - сейсмическое воздействие по акселерограмме;

Модуль 32 - сейсмическое воздействие по СНРА II-2.02-94 (Армения);

Модуль 33 - сейсмическое воздействие по нормам КМК 2.01.03-96 (Узбекистан);

Модуль 40 - сейсмическое воздействие по NF P 06-013 (Франция);

Модуль 41 - сейсмическое воздействие по методу спектра ответов;

Модуль 42 - сейсмическое воздействие по IBC-2000 (США);

Изменения внесенные в последующие версии ПК ЛИРА (по сравнению с версией 9.0):

.2 - добавлены новые модули расчета на сейсмические воздействия - по нормам Украины, по пространственным моделям Ю.П. Назарова и В.К. Егупова;

.4 - добавлена система ВАРИАЦИЯ МОДЕЛЕЙ: позволяет варьировать жесткости, коэффициенты постели, граничные условия, нагрузки. Эта процедура в рамках одной задачи позволяет учитывать увеличение жесткости грунтового основания при кратковременных воздействиях (ветер, сейсмика и др.), решать задачи устойчивости к прогрессирующему разрушению на основе последовательного удаления наиболее ответственных элементов, учитывать пониженные модули деформации при температурных воздействиях, в удобном режиме выполнять вариантные расчеты и многое другое; модули расчета на сейсмические воздействия - по нормам Москвы, Казахстана, Туркменистана, Алжира, Еврокод ЕС, ДБН Украины с учетом кручения;

Текущие изменения в программе Лира 9.6:

Реализован расчет на сейсмическое воздействие по СП 14.13330.2011 Строительство в сейсмических районах (модуль динамики 51).

Изменение в таблице периодов - коэффициент распределения выводится для собственных форм, нормированных так, чтобы максимальная ордината собственной формы равнялась единице. Ранее коэффициент распределения выводился для форм, нормированных по матрице масс, что затрудняло ручную проверку результатов

Рис. 4 - Пример работы в ПК ЛИРА 9.0

.5 Выводы по главе

Исходя из всего вышеперечисленного, следует, что расчет строительных объектов на сейсмические воздействия в настоящее время можно выполнить 2 способами:

·        вручную по формулам СНиП, что довольно трудоемко, т.к. требует времени и сосредоточенности;

·        полностью запроектировав и рассчитав объект в одном из программных пакетов, что, в свою очередь, так же не просто, т.к. требует от пользователя определенных навыков владения компьютером и собственно программным комплексом, в котором будет выполнен расчет.

Т.к. современные программные комплексы дорогостоящи и достаточно трудоемки, в ходе выполнения своего дипломного проекта необходимо создать такой программный комплекс, который бы объединял в себе расчеты по СНиП с использованием стержневой модели и аналогичные расчеты в современных программах (ANSYS) на базе пространственной модели с последующим сравнением результатов.

Глава 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ

Информационная система расчета строительных объектов в сейсмоопасных регионах предназначена для анализа собственных частот и форм колебаний строительных конструкций, отклика конструкции на сейсмическое воздействие различного характера, НДС в различных элементах конструкции.

В основе информационной системы лежит:

.        Расчет стержневой модели конструкции на основе СНиП II-7-81* [1]