Современные средства вычисления
Введение
Фантазия архитектора в современном мире не стоит на месте. В моду вошли легкие парящие конструкции бионических форм, трудно поддающиеся математическому описанию. Возрастающая сложность и многоплановость задач, решаемых в практике современного архитектурного проектирования, требуют дальнейшего совершенствования проектного дела, широкого применения прогрессивных методов, приемов и технических средств, чтобы ускорить и исключить ошибки расчетов строительных конструкций. С каждым годом расширяется объем внедрения вычислительной техники в архитектурно-строительное проектирование.
Для воплощения модных идей требуются современные методы расчетов.
Существующие способы расчетов
Ручной расчет
Все строительные конструкций подчиняются одним и тем же законам механики. Достаточно разбить конструкцию на конечные элементы (стержни, оболочки); задать им верные граничные условия (закрепления на концах); приложить к ним нагрузки и составить уравнения, которые должны соответствовать требованиям нормативных документов, действующим на территории Российской Федерации, таким как:
- СП 20.13330 «НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ»
- СП 16.13330 «СТАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ»
- СП 63.13330 «БЕТОННЫЕ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ»
Ручной расчет и квалификация специалиста не может быть полностью заменена компьютерными программами для проектирования сооружений. К плоской постановке задачи часто прибегают для анализа маленьких и типовых конструкций.
Автоматизированный расчет
Для конструкций с неоднородным шагом колонн, с большим количеством конечных элементов (стержней, оболочек), нестандартной геометрией, большими пролетами, целесообразно использовать ПВК. Именно об этом методе расчета будет подробно рассказано в данной статье.
Преимущества применения ПВК:
- Производит более точный расчет всей конструкции
- Уменьшает количество ошибок при проектировании
- Увеличивает скорость расчета
- Позволяет производить совместный расчет надземной и подземной части сооружения
- Выдает удобные для восприятия результаты расчетов
- Не ограничивает количество рассчитываемых элементов
Принципиально расчетные комплексы можно разделить на 2 вида:
- Многофункциональные комплексы по расчету стержневых моделей
Позволяют рассчитывать большие трехмерные модели на статические и динамические воздействия. Предназначены для расчета стальных и железобетонных конструкций в соответствии с требованиями действующих сводов правил (СП).
Программный комплекс SCAD Office и ПК Лира занимают около 80% отечественного рынка программного обеспечения для расчета и проектирования строительных конструкций.
2. Расчет узлов строительных конструкций
Основы расчета конструкций в программных вычислительных комплексах (ПВК)
Программный комплекс SCAD Office и ПК Лира занимают около 80% отечественного рынка программного обеспечения для расчета и проектирования строительных конструкций. Среди большого разнообразия отечественных и зарубежных ПВК, принцип построения модели и расчетов конструкций схож для всех программ. Рассмотрим это на примере SCAD Office.
· SCAD Office
ПВК SCAD Office представляет собой набор программ, предназначенных для выполнения прочностных расчетов и проектирования различного вида строительных конструкций. В состав пакета входят программы нескольких видов.
Расчет конструкции начинается с построения расчетной модели.
- Построение и непосредственно в SCAD Office
- Экспорт из AutoCAD
- Использование типовых схем
- Экспорт стержневой модели из Tekla Structures или Autodesk Revit и других программ
Импортируемые форматы:
Добавление загружений
В программе есть возможность добавить не только постоянные нагрузки, но и такие динамические загружения, как ветер (пульсационная составляющая) и сейсмически воздействия.
Далее для каждого элемента назначается:
Назначение жесткостных характеристик
Это сечения элементов (стержней, пластин), либо численно-параметрическое описание сечения.
Добавление загружений
В программе есть возможность добавить не только постоянные нагрузки, но и такие динамические загружения, как ветер (пульсационная составляющая) и сейсмически воздействия.
Формируются комбинации загружения, а также РСУ и РСН.
Результаты расчета
Далее анализируем результаты расчета по I и II предельным состояниям: анализируем прочность, устойчивость и деформации конструкции.
Основные преимущества SCAD Office :
- высокая скорость расчета;
- развитый механизм работы с группами узлов и элементов;
- небольшой объем хранения информации;
- понятный интерфейс;
- вариация моделей;
- расчет типовых узловых соединений.
Узлы в SCAD Office
Программы-утилиты SCAD позволяют производить расчет типовых узловых соединений:
- Крепление балок на болтах
- Фрикционные соединения
- Опорные плиты
Недостатком данных приложения является невозможность отойти от стандартной геометрии, заложенной в программе, а также от приложения нагрузок.
Вариация моделей
Основное преимущество SCAD Office среди всех остальных ПВК – это особый режим Вариация моделей, который предусматривает возможность обработки результатов расчета нескольких близких вариантов расчетной схемы: схемы содержат одинаковое количество узлов и элементов.
Данная функция позволяет проанализировать работу модели, изменяя в них следующе параметры:
- возможность использования отличающихся друг от друга значений типов элементов;
- возможность изменения сечений элементов, включая использование нулевых значений некоторых жесткостей и различных коэффициентов постели;
- изменение условиях примыкания элементов к узлам;
Пользователь запускает на расчет необходимое количество моделей и получает одну общую модель, содержащую максимальные и минимальные значения усилий и перемещений от всех моделей. Специалисту не требуется проводить анализ каждой расчетной схемы и сравнивать результаты расчета между собой. Количество сценариев обрушения может доходить до сотни, в зависимости от сложности конструкции.
С 6 января 2019 года вступил в действие СП 385.1325800.2018 «Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения. Правила проектирования. Основные положения». Режим «Вариация модели » актуальна при расчете на прогрессирующее обрушение конструкций, так как полученные результаты расчетов уже не зависят от того, где именно произойдет «отказ» несущего элемента схемы.
· ЛИРА
С функциональной точки зрения ЛИРА повторяет все функции SCAD Office. Также имеет достаточный набор программ-утилит. Но для некоторых пользователей является более наглядной и удобной. ЛИРА также содержит функцию «Метод единого обобщенного результата» под названием Метеор, по аналогии с Вариацией моделей в SCAD Office.
· Autodesk Robot Structural Analysis Professional
Из названия программы следует, что программный комплекс принадлежит компании Autodesk.
Autodesk является крупнейшим в мире поставщиком программного обеспечения для промышленного и гражданского строительства.
Программа обладает удобным интерфейсом
и выполняет все виды расчетов:
- статический линейный;
- динамические (модель, спектр, сейсмика);
- потеря устойчивости;
- гармонические колебания;
- кратковременная нагрузка;
- нелинейный расчет кратковременной нагрузки;
- продавливания;
- упруго-пластическая деформация;
- отклик-спектр;
- вантовые элементы;
- дополнительные диаграммы результатов расчетов.
- расчет вибрационного воздействия от жизнедеятельности человека;
Основными преимуществами Robot перед расчетными комплексами Лира и SCAD Office являются:
Двусторонняя связь с Revit Structure
Revit Structure — это программа для трехмерного моделирования элементов здания и плоского черчения элементов, имеющая многопользовательский режим.
Достаточно построить архитектурную 3D-модель в графическом комплексе Revit Structure и перейти во вкладку Расчет:
Произойдет экспорт всех элементов: стержней и оболочек. При этом отсутствует необхходимость назначения жесткостных характеристик, так как они импортируются из Revit совместно с геометрией.
Двусторонняя связь с Tekla Structures
Также возможно использовать для расчета готовую 3D-модель из графического комплекса Tekla Structures, про которую было подробно рассказано в этой статье. На данный момент большинство проектов из металлических конструкций разрабатываются именно в программе Tekla Structures, так как программа позволяет не только моделировать 3D-модель, но и выполнять 2D-чертежив соответствии с ГОСТ Р 21.1101-2013 «Система проектной документации для строительства».
К тому же возможно импортировать не только геометрию, жесткостные характеристики, но и готовые загружения из Tekla в Robot.
Основы расчета узлов
Всё чаще приходится проектировать сложные конструкции, а особенно узловые соединения.
Иногда инженеру достаточно сложно определить принцип работы конструкций в узле и сложно применить теоретические навыки при расчете узла. Затрачивается много времени на расчеты каждого элемента узлового соединения (сварных швов, болтовых соединений, устойчивости, жесткости и тд).
· ANSYS
Программный комплекс ANSYS (аналоги ABAQUS, NASTRAN, COSMOS) требует много времени и навыков от инженера-строителя для подготовки и анализа исходной расчётной схемы. Однако позволяет замоделировать любой физический процесс и характеристики материалов.
Данные программы ориентированы в большей мере на машиностроение и на серьезные научные исследования, но могут применяться для решения спорных узлов в строительстве.
Преимущества программ:
-точный результат;
Недостатки:
-сложный интерфейс;
-необходимость ручной корректировки всех исходных данных;
· IDEA StatiCa
Другое дело программный комплекс IDEA StatiCa, который позволяет за считаные минуты производить анализ узлов с нестандартной геометрией и загружениями по всем параметрам
IDEA StatiCa – это современная программа для расчета стальных узлов.
Удобство и простота использования – главное преимущество данного программного комплекса.
- Построение узла можно выполнить несколькими способами:
— Использование стандартного узла
Достаточно лишь поменять сечения, материалы и значение загружений и произвести автоматический расчет
- Построение узла с нуля в IDEA StatiCa
Для построения своего уникального узла можно пользоваться стандартными операциями. Возможно задать для узла болтовое соединение, сварное соединение, лист усиления.
Возможно импортировать сортамент металлопроката и каталог материалов.
— Импорт узла из другого приложения
Возможно импортировать не только готовую геометрию узла из Tekla, но и все сварные и болтовые соединения.
Также существует связка с другими приложениями, такими как Advance Design, Advance steel, Revit, SAP 2000 и другие.
- Результаты расчетов IDEA StatiCa
Результаты расчетов наглядно показаны в виде изополей напряжения и деформации, а также сведены в таблицы.
IDEA StatiCA формирует отчет, который содержит всю информацию о применяемых нормах, формулах и исходных данных. Данная функция актуальна при проверке результатов и оформлении проектной и рабочей документации, что значительно экономит время на формирование текстовой документации.
Программа формирует отчет использую формулы из СП 16.13330 «Стальные конструкции»
Экспертиза проектной документации
Для прохождения государственной и негосударственной экспертизы для раздела «Конструктивные и объемно-планировочные решения» должны быть предоставлены расчетные обоснования, соответствующие действующим нормам.
Согласно п. 17 положения утв. Постановлением правительства РФ от 05.03.2007 N 145 организация по проведению государственной экспертизы вправе дополнительно истребовать от заявителя представления расчетов конструктивных и технологических решений, используемых в проектной документации, а также материалов инженерных изысканий. Указанные расчеты и материалы должны представляться заявителем в 5- дневный срок после получения соответствующего запроса. Не допускается истребование от заявителей иных сведений и документов.
Сравнение цен на программные комплексы*
(*цены на локальные лицензии с неограниченным количеством узлов)
| ПВК | ЦЕНА, ₽ | СКОР ЛИЦЕНЗИИ |
| SCAD Offiсe Smax | 365 000 | Неограничен |
| ЛИРА 10.8 FULL | 515 000 | Неограничен |
| ЛИРА-САПР PRO | 525 000 | Неограничен |
| Autodesk Robot | 554 000 | 3 года |
| ING + MicroFe | 520 000 | Неограничен |
| IDEA StatiCa | 290 000 | Неограничен |
| Ansys | 1 900 000 | Неограничен |
Последние записи
Проектирование систем отопления
Для здания, в котором требуется в холодный период поддерживать положительную температуру, отопление является неотъемлемой инженерной системой. Система отопления должна обеспечивать нормируемые температуры в помещениях, которые регламентируются, как нормативными документами, так и технологическими требованиями.
Современные средства вычисления
Фантазия архитектора в современном мире не стоит на месте. В моду вошли легкие парящие конструкции бионических форм, трудно поддающиеся математическому описанию
Огнезащита строительных и ограждающих конструкций
При проектировании новых зданий и сооружений необходимо соблюдать требования по пределу огнестойкости* строительных конструкций.
Проектирование вентиляции
Практически любое современное здания требуется оборудовать такими инженерными сетями как системы вентиляции. Данные системы должны обеспечивать оптимальные условия микроклимата в помещениях, как для пребывания людей, так и для осуществления различных технологических процессов.
