УМК Основы автоматизированного проектирования в строительстве

элементов параметры материалов входят в файл самого сечения железобетонного элемента). Для каждого из материалов можно уточнять (изменять) его характеристики, т.е. принимать их не по ГОСТу (по умолчанию), а, например, по результатам испытаний. Определяя параметры расчета, имеется возможность учитывать геометрическую и физическую (для железобетонных элементов) нелинейность.

Просмотр полученных результатов возможен в трех режимах: режим таблицы (сводная таблица внутренних усилий и перемещений), режим просмотра эпюр и значений непосредственно на стержнях конструкции (на всех стержнях одновременно), а также режим диалога (просмотр эпюр внутренних усилий в диалоговом окне для каждого стержня в отдельности). Режим диалога позволяет определить значение внутреннего усилия для любой точки по длине стержня. Программа позволяет сформировать отчет – файл, содержащий таблицы исходных данных и таблицы результатов и предназначенный для печати.

Программа «Радуга» дает возможность производить расчет статически определимых и статически неопределимых плоских и пространственных конструкций: балок, колонн, плоских и пространственных рам, ферм, сложных конструкций (например, опор высоковольтной линии электропередачи). Программа весьма проста в усвоении; особую ценность придает ей возможность экспортировать расчетную схему конструкции (с нагрузками или эпюрами) в программу AutoCAD, при этом схема сохраняется в файл с расширением dxf. Возможен также экспорт расчетной схемы из AutoCAD в программу «Радуга».

Назначение программы «Бета» – расчет прочности и трещиностойкости нормального сечения железобетонных элементов. Программа позволяет формировать железобетонное сечение, очень подробно задавая геометрические параметры сечения, характеристики бетона и арматуры. Сечение элемента может включать в свой состав бетоны разного класса с разными характеристиками (класс по прочности, условия твердения и т.д.). Арматурные стержни задаются каждый в отдельности; для них определяется класс арматуры, вид, наличие профиля и т.д. Если арматура является преднапряженной, для стержней определяется величина предварительного напряжения, особенности учета потерь преднапряжения, способ натяжения и т.д.

Подробное определение нагрузок позволяет формировать для данного элемента разные виды напряженно-деформированного состояния. Величины изгибающих моментов определяются по двум осям сечения: X и Y. Программа позволяет производить расчет трещиностойкости элемента,

21

расчет по заданным нагрузкам и на прочность. Непосредственно перед расчетом выбирается тип применяемой диаграммы деформирования: параболическая либо параболически-линейная. Имеется возможность производить расчет и по методике СНиП «Бетонные и железобетонные конструкции». Существует также возможность производить конструктивный расчет: определять требуемый диаметр продольной рабочей арматуры.

Просмотр результатов расчета: сразу после завершения автоматического расчета, программа выводит на экран окно, содержащее информацию о результатах (величины расчетных внутренних усилий, а также где произошло разрушение: по бетону или по арматуре). Далее, имеется возможность провести по сечению базовые линии будущих эпюр. Сами эпюры можно просмотреть, поочередно нажимая на основания эпюр; эпюры (в случае наиболее полного расчета) выводятся для четырех «моментов жизни» конструкции: на момент отпуска предварительного напряжения, в момент трещинообразования, в момент достижения заданного внутреннего усилия и на момент разрушения. Отчет в программе формируется автоматически.

Программа «Бета» дает возможность вести расчет железобетонных элементов при усилении конструкций. Программа способна взаимодействовать с программой «Радуга». Например, в программе «Бета» создается железобетонное сечение, далее оно сохраняется как сечение для программы «Радуга» (необходимо поместить его в каталог сечений железобетонных элементов); после, производится определение внутренних усилий в расчетной схеме рассчитываемой конструкции, а затем величины этих усилий используются в программе «Бета» для расчета по нормальным сечениям.

Аналогом программы «Радуга» в некоторой степени является программа SAPS CAD (Россия). Назначение программы – статический расчет плоских конструкций, состоящих из стержневых (балочных) элементов (балок, ферм, рам и т.д.). Программа беднее возможностями, чем «Радуга»; к числу основных недостатков SAPS CAD относится в первую очередь то, что программа создана для операционной системы MS DOS и значительно сложнее в работе и освоении. Аналогичные недостатки, проявленные еще в большей степени, имеет и программа «Прочностной расчет балок и рам методом конечных элементов», входящий в САПР «Сударушка»

(Россия). В этот комплекс САПР входят также программы «Прочностной расчет ферменных и тонкостенных конструкций», «Расчет оболочки с вмятиной», а также «Система проектирования деревянных домов».

22

Не очень большое удобство программ САПР «Сударушка» объясняется, по всей видимости, тем, что создатели ее специализируются на самолетостроении, а эти программы – в некоторой степени «побочный продукт». Вместе с тем, программы могут быть очень полезны для решения некоторых строительных задач, если «под рукой» нет таких современных расчетных комплексов, как САПР «Бета» – «Радуга».

Существует целый ряд специализированных программ, позволяющих производить расчет и конструирование разнообразных строительных конструкций. Например, программа «Фундамент» (Россия), позволяющая осуществить проектирование столбчатого, ленточного и свайного фундамента; рассчитать подпорную стену; проверить фундаменты по прочности; определить осадку фундамента (можно учесть при этом влияние соседних фундаментов, динамическое воздействие машин); проверить прочность грунтового основания; провести расчет на сейсмические нагрузки; рассчитать способы устройства свайных фундаментов различных видов; провести динамический расчет фундаментов и т.д.

Простые и удобные в применении, но ограниченные по возможностям программы для расчета армирования монолитных железобетонных стен («СИТИС: ТАС») и монолитных железобетонных перекрытий («СИТИС: ТАП») доступны любому пользователю (в сети Internet можно найти страницы, позволяющие загрузить на свой компьютер эти программы). Для осуществления автоматического расчета достаточно задать ряд параметров: толщина стены (плиты), величина защитного слоя бетона, классы бетона и арматуры, а также нормативный момент от всех нагрузок на конструкцию. Расчет можно производить по обеим группам предельных состояний. Результатом расчета является таблица и схема армирования.

Среди крупнейших многофункциональных расчетных комплексов (основанных на методе конечных элементов – МКЭ), распространенных в проектных организациях стран СНГ, следует назвать прежде всего про-

граммы Stark_Es и FEM-models (Россия), а также Scad, «Лира» и «Моно-

мах» (Украина).

Программа Stark_Es (созданная компанией «Еврософт», Россия) предназначена для статического и динамического расчета строительных конструкций, она позволяет также осуществлять конструктивные расчеты бетонных, железобетонных и металлических конструкций, в том числе с учетом сейсмических воздействий. Расчет производится в соответствии со СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия», СНиП II-7-81* «Строительст-

23

во в сейсмических районах», СНиП 2.03.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции», СНиП II-23-81* «Металлические конструкции».

Построение расчетной модели – самая трудоемкая часть работы во всех программах на МКЭ, а в Stark_Es особенно. Конструкции рассчитываемого здания «упрощаются» до конечных элементов: 2D-стержневые элементы, 3D-стержневые элементы, 2D/3D-прямоугольник (моделирующий подбалки или надбалки), элементы плосконапряженного / плоскодеформированного состояния, элементы изгибного состояния, элементы плоской оболочки и объемные конечные элементы. В окне препроцес-

сора создается (графически) расчетная модель из этих элементов, причем для каждого конечного элемента требуется определять необходимые параметры: модуль деформации, модуль сдвига, плотность и т.д.

Для упрощения построения расчетной модели ее можно строить по частям, т.е. сначала создавать «частичные проекты», содержащие фрагменты большой, общей расчетной модели, а затем, произведя операцию слияния, получить общий проект (каждому частичному и общему проекту соответствует отдельный файл). Программа Stark_Es позволяет использовать проекты ArchiCAD для автоматического создания конечно-элементной расчетной модели.

После подробного задания параметров расчета в окне постпроцессора можно получить результаты в табличном и графическом виде; результаты можно сохранить в виде файла текстового документа Word. Конструктивные расчеты предполагают: расчет по прочности железобетонных балок, подбалок (в т.ч. с подбором арматуры), определение расчетных длин стержневых элементов, расчет на прочность и устойчивость металлических изгибаемых элементов, а также различных типов колонн.

Программа Stark_Es дает возможность взаимодействия с другими расчетно-конструктивными программными продуктами, существенно дополняющими ее возможности в плане конструктивных расчетов. И, в пер-

вую очередь, это относится к пакету программ для расчета элементов строительных конструкций ПРУСК. Пакет состоит из крупных расчетных подсистем, фактически являющихся отдельными программами, реализованными на единой системной базе: «Система железобетонных плит»,

«Железобетонная балка», «Железобетонное сечение». Первые две про-

граммы обеспечивают расчет и конструирование арматуры для системы железобетонных плит, для многопролетных балок и ребристых плит. Последняя программа по своим функциям напоминает некоторые части программы «Бета», хотя и существенно уступает ей в возможностях.

24

Одной из самых простых и богатых возможностями расчета и построения конечно-элементной модели является программа FEM-models компании «Геореконструкция» (Россия). Программа, помимо «обычных» для конечно-элементных программ расчетов, позволяет решать упругие, упругопластические, реологические и динамические задачи сплошных сред, задачи теплопроводности, термоупругости, морозного пучения грунтов, а также задачи деформирования стержневых и пластинчатых систем.

Создание расчетной модели в программе FEM-models существенно облегчается, во-первых, возможностью использовать библиотеки конечных элементов, геометрических элементов и геометрических преобразований (а это значительно упрощает и ускоряет конструирование), во-вторых, возможностью определения параметров конечных элементов путем выбора их значений из таблиц, и в-третьих, наличием детальной и простой «обучающей базы»: справочника (фактически, учебника по структуре универсального конечного элемента), примеров создания конечно-элементных моделей, а также примеров решения конкретных задач по расчету и конструированию строительных конструкций.

К бесспорным достоинствам программы FEM-models следует отнести: возможность создания огибающих эпюр и изолиний, позволяющих осуществлять анализ результатов расчета; наличие конвертеров файлов (позволяющих, например, сохранять расчетную схему в виде документа AutoCAD или файла рисунка BMP с последующей вставкой его в Word); возможность бесплатного получения (через Internet) «демонстрационной версии» этой программы, что очень актуально, т.к. стоимость программ такого уровня составляет порядка 5000$ за установку на одно рабочее место (один компьютер). Даже «демо-версия» программы позволяет строить новые (помимо имеющихся в библиотеках программы) конечные элементы, решать широкий спектр практических задач. Дополнительные элементы библиотек программы доступны для всех желающих через сеть Internet.

Пожалуй, самым популярным среди комплексов САПР, основанных на методе конечных элементов, является проектно-вычислительный комплекс Scad (Structure CAD), созданный компанией SCAD Group. Комплекс предназначен для численного исследования на ЭВМ напряженнодеформированного состояния и устойчивости конструкций, а также и для автоматизированного выполнения ряда процессов конструирования. Моделированию в этой программе подлежат пространственные стержневые системы, произвольные пластинчатые и оболочечные системы, мембраны, массивные тела, комбинированные системы – рамно-связные конструкции

25

высотных зданий, плиты на грунтовом основании, ребристые пластинчатые системы, многослойные конструкции. Расчет выполняется на статические и динамические нагрузки. Статические нагрузки моделируют силовые воздействия от сосредоточенных или распределенных сил или моментов, температурного нагрева и перемещений отдельных областей конструкции. Динамические нагрузки моделируют воздействия от землетрясения, пульсирующего потока ветра, вибрационные воздействия от технологического оборудования, ударные воздействия. Конструкции могут иметь произвольные очертания, местные ослабления в виде различной формы отверстий и полостей, различные условия опирания.

Программа Scad включает несколько модулей, позволяющих решать ряд промежуточных задач и задач конструктивного расчета проектируемых элементов. Возможно конструирование на основе расчетных сочетаний усилий сечения железобетонных стержневых (косой изгиб, изгиб с кручением, внецентренное сжатие) и плоскостных (балок-стенок, плит, оболочек) элементов. В итоге можно получать изображение сечений с указанием расположения и диаметров продольной и поперечной арматуры, их увязку по длине стержневого элемента или по площади плоскостного элемента.

Главными преимуществами программы Scad перед другими комплексами этого типа являются:

необыкновенно большие возможности создания конечных элементов (в т.ч. с использованием библиотек элементов);

широчайшие возможности конструктивного проектирования строительных конструкций:

– балочных ростверков,

– сложных оболочек,

– коробчатых конструкций больших пролетов,

– пилонов и вантовых систем висячих мостов,

– мостовых опор,

– тоннелей,

– дорожных и аэродромных покрытий,

– насыпей,

– конструкций высотных башен и мачт, телескопов, магистральных трубопроводов, гидротехнических сооружений,

– тяжелых конструкций атомной энергетики и прочих спецконструкций;

26

возможность проведения расчета и конструирования по нормам разных стран (по выбору: нормы СНГ – Россия и Украина, Еврокод, нормы Франции, Германии и США) и многое другое.

Одним из самых существенных недостатков программы является очень большая стоимость одного рабочего места.

Необходимо назвать еще два популярных программных расчетных комплекса, созданных украинским НИИАСС: старейший в СНГ комплекс «Лира» и «сопряженный» с ним программный комплекс «Мономах».

Программный комплекс «Лира» предназначен для автоматизированного проектирования и конструирования, численного исследования прочности и устойчивости конструкций каркасных и каркасно-панельных зданий, покрытий и перекрытий больших пролетов, мембран, подпорных стен, комбинированных систем, ферм, фундаментов под оборудование, фундаментных плит, коробчатых конструкций больших пролетов, тоннелей, пилонов и вантовых систем висячих мостов, тентовых покрытий, башен и мачт, бункеров и силосов, гидротехнических сооружений и др.

Основными достоинствами программы «Лира» являются: практически полное отсутствие ограничений на размер решаемых задач; возможность обмена информацией с программами AutoCAD и ArchiCAD; реализация нормативов и стандартов России, стран СНГ, США, Франции и др.; возможность учета геометрической и физической нелинейности; подробная настройка файлов отчетов; возможность составления пользовательского сортамента сечений, созданных в самой программе и т.д.

Программный комплекс «Мономах» предназначен для автоматизированного проектирования железобетонных конструкций многоэтажных каркасных зданий. Комплекс состоит из взаимосвязанных программных модулей:

Модуль «Компоновка» предназначен для формирования расчетной модели здания, проведения статического расчета и динамического анализа, подбора или проверки прочности сечений конструктивных элементов, формирования ведомостей расхода элементов и таблицы стоимости здания. Возможен экспорт данных, расчетной модели в программный комплекс «Лира», а также в другие модули комплекса «Мономах». В частности, модуль «Кирпич», предназначенный для проверки прочности и проектирования армирования каменной кладки, использует данные, полученные в результате расчета в модуле «Компоновка».

Модуль «Балка» предназначен для проектирования, расчета и конструирования монолитной железобетонной неразрезной многопролетной

27

балки с переменной высотой сечения по пролетам. Расчет производится по обеим группам предельных состояний; имеется возможность построения эпюры материалов.

Модуль «Колонна» предназначен для проектирования, расчета и конструирования монолитных железобетонных колонн различных форм сечений: прямоугольного, таврового, крестового, уголкового, кольцевого и др.

Модули «Фундамент» и «Подпорная стена» предназначены соответственно для проектирования, расчета и конструирования оснований и фундаментов, а также подпорных стен для заданных инженерногеологических условий строительства.

Модуль «Плита» предназначен для проектирования, расчета по двум группам предельных состояний и конструирования: монолитных железобетонных плит перекрытия, фундаментных плит на естественном основании или на свайном поле. При этом контур плиты может иметь произвольное очертание, учитывается наличие отверстий, участков разной толщины плиты. Для фундаментной плиты учитывается наличие участков с разными характеристиками грунта. Учитывается податливость балочного ростверка. Имеется возможность экспортировать модель плиты в программу «Лира».

Модуль «Разрез» («Стена») предназначен для проектирования, расчета по двум группам предельных состояний и конструирования монолитных железобетонных стен произвольного контура совместно с примыкающими рамными конструкциями. Имеется возможность учитывать наличие отверстий и участков разной толщины стены. Сформированную расчетную схему можно экспортировать в программу «Лира».

Программа «Мономах» позволяет экспортировать модель, созданную в программе ArchiCAD (файлы с расширением mdb). Модули программы позволяют сохранять результаты расчета в виде текстовых файлов (где оформление результатов можно редактировать), графическую же информацию – в виде файлов AutoCAD (с расширением dxf).

Существуют крупные программные комплексы, предназначенные для решения задач определенной области строительного проектирования. Кроме вышеназванного комплекса «Мономах» (проектирование железобетонных конструкций многоэтажных каркасных зданий), следует назвать программный комплекс PLAXIS, предназначенный для выполнения геотехнических (геоинженерных) расчетов (а именно, конечно-элементного анализа деформаций и устойчивости). Для конечно-элементного анализа в области механики грунтов применяются также программы ABAQUS,

28

ANSYS, ZSOIL и некоторые другие (более сложные в освоении и дорогие,

чем PLAXIS).

Программа PLAXIS может быть применена для решения большинства задач в сфере традиционной механики грунтов. В частности, это:

определение глубины заложения фундаментов;

проектирование возведения фундаментов;

проектирование земляных работ (устройство котлованов, траншей

ит.д.);

расчет подпорных стен;

расчет устойчивости откосов;

расчет дорожной насыпи (в том числе и на динамическое воздей-

ствие);

расчет инфильтрации;

решение задач прокладки тоннелей.

Программа может быть использована как для расчета отдельных элементов, так и для комплексных вычислений.

Для создания конечно-элементной модели необходимо задание следующих исходных данных: геометрия слоев грунта, конструкция, нагрузки и граничные условия.

Для ввода геометрии в PLAXIS представлены такие элементы, как балка, шарнир, контактные поверхности, анкеры, геотекстиль (георешетки), тоннели, граничные условия, нагрузки.

Из созданной геометрической модели программа в автоматическом режиме генерирует неструктурированную конечно-элементную сетку с возможностью глобального и локального изменения ее плотности. Использование в модели элементов высокого порядка полезно для равномерного распределения напряжений в грунте и точного предсказания недопустимых нагрузок.

При создании расчетной модели необходимо базироваться на определенных почвенных моделях для имитации нелинейного и нестационарного поведения почв.

Самая простая из используемых в PLAXIS моделей грунтов – модель Кулона – Мора. Эта нелинейная модель базируется на параметрах грунтов, которые в большинстве случаев известны. Модель Кулона – Мора может применяться, например, для вычислений реальных конечных нагрузок кольцевых фундаментов, коротких свай, а также для расчета запаса прочности.

29

Модель рыхлых грунтов используется для точного анализа логарифмической работы на сжатие нормально консолидированного рыхлого грунта.

Модель мягких ползучих грунтов – это усовершенствованная версия модели мягких грунтов, включающая моделирование второй стадии ползучести.

Твердая модель применяется для более твердых грунтов – таких, как сверхконсолидированные глины и пески. Здесь используется упругопластичный тип гиперболической модели.

Программа PLAXIS предлагает различные виды расчетов: расчет пла-

стичности, анализ консолидации и анализ усовершенствованной конечноэлементной сетки.

Расчет пластичности. Коэффициенты нагрузки используются для активизации установленных нагрузок (сосредоточенных или распределенных), установленных перемещений, веса и усадки грунта (для моделирования щитовой проходки тоннелей). Предусмотрена возможность моделирования процесса строительства.

Поэтапное возведение. Активизируя и деактивизируя группы элементов, возможно моделировать процесс строительства и экскавации. Это действие позволяет дать реалистическую оценку напряжений и перемещений, вызванных, например, строительством земляных дамб или котлованов для фундаментов глубокого заложения.

Консолидация. Снижение избыточного порового давления во времени может быть вычислено при анализе консолидации. Анализ консолидации требует ввода коэффициента проницаемости для различных слоев грунта.

Усовершенствованный анализ Лагранжа. С помощью этой функции программы можно постоянно корректировать сетку конечных элементов во время расчета. Это необходимо в том случае, если обычный анализ малых деформаций может привести к существенным изменениям геометрии.

Коэффициент устойчивости. Коэффициент запаса обычно определяется как отношение разрушающей нагрузки к действующей нагрузке. Это определение годится для фундаментов, но не для насыпных сооружений и шпунтовых стен (здесь более подходит используемое в механике грунтов понятие «коэффициент устойчивости», который определяется в PLAXIS как отношение действительной поперечной силы к минимальной требуемой для равновесия).

Контроль длины дуги. Это свойство позволяет точно рассчитать разрушающие нагрузки и выявить механизм разрушения. В обычных расчетах

30