книги / Основы автоматизации проектирования в строительстве
..pdf
|
П роектно-аналитические программы |
||
КРИСТАЛЛ |
Программа |
выполняет |
расчет и проверку элементов |
|
и соединений стальных конструкций. |
||
АРБАТ |
Программа предназначена для проверки несущей спо |
||
|
собности или подбора арматуры в элементах железо |
||
|
бетонных конструкций, а также для проверки местной |
||
|
прочности |
элементов |
железобетонных конструкций |
|
(включая закладные детали). |
||
КАМ ИН |
Программа предназначена для проверок несущей спо |
||
|
собности конструктивных элементов каменных и армо- |
||
|
каменных конструкций. |
|
|
ДЕКОР |
Программа производит расчет и проверку элементов |
||
|
деревянных конструкций на соответствие требованиям |
||
|
СНиП И -25-80 «Деревянные конструкции». |
||
ОТКОС |
Программа предназначена для определения коэффи |
||
|
циента запаса устойчивости откосов и склонов. |
||
|
П роектно-конструкторские программы |
||
КОМ ЕТА |
Программа предназначена для расчета и проектиро |
||
|
вания узлов стальных конструкций зданий и сооруже |
||
|
ний в промышленном и гражданском строительстве. |
||
|
Основная |
задача этой |
программы - получение техни |
|
ческого решения узла. |
|
|
М ОНОЛИТ |
Программа предназначена для проектирования железо |
||
|
бетонных монолитных ребристых перекрытий, образо |
||
|
ванных системой плит и балок, опирающихся на колон |
||
|
ны и стены. |
|
|
|
Электронны е справочники |
||
КоКон |
Программа для определения коэффициентов концен |
||
|
трации и интенсивности напряжений при наличии |
||
|
вырезов и выточек; круглых и некруглых отверстий, |
||
|
трещин. |
|
|
|
Импорт - экспорт данны х |
||
Форум |
Формирование укрупненных моделей на основе инфор |
||
|
мации, импортируемой из таких популярных архитек |
турных систем, как: AutoCAD (DXF, DWG), 3D Studio (3DS), StruCAD, Hyper Steel, МАЭСТРО, ArchiCAD, Architectural Desktop, Allplan, Allplot и др.
3. Комплекс по расчету и конструированию железобетонных монолитных зданий МОНОМАХ
Программный комплекс «МОНОМАХ» предназначен для рас чета и проектирования конструкций многоэтажных зданий из моно литного железобетона. В результате работы комплекса производит ся расчет модели здания и отдельных его частей с формированием рабочих чертежей и схем армирования конструктивных элементов. В нем реализованы нормативы и стандарты России, Украины, дру гих стран СНГ. Разработана информационная связь с системами
AutoCAD и ArchiCAD.
ПК «МОНОМАХ» состоит из отдельных подсистем (табл. 11.5), которые связаны информационно, и при этом каждая из них может работать в автономном режиме.
|
Таблица 11.5 |
|
Подсистемы ПК «МОНОМАХ» |
Подсистема |
Н азначение |
КОМ ПОНОВКА |
Позволяет в интерактивном графическом режиме |
|
сформировать пространственную схему здания, вы |
|
полнить конечно-элементный расчет с возможностью |
|
анализа результатов; выполнить сбор нагрузок на фун |
|
даментные плиты, определить расход бетона и армату |
|
ры, оценить стоимость конструкций и экспортировать |
|
данные в конструирующие системы. |
БАЛКА |
Позволяет запроектировать монолитную одноили |
|
многопролетную неразрезную балку с переменной |
|
высотой сечения по пролетам, выполняет статический |
|
расчет балки с построением огибающих эпюр переме |
|
щений и усилий, определяет расчетную площадь |
|
арматуры, выполняет построение эпюры материалов |
|
и конструирование балки. |
КОЛОННА |
Дает возможность запроектировать монолитную ко |
|
лонну различных форм сечений: прямоугольного, |
|
таврового, крестового, уголкового, кольцевого и дру |
|
гих сечений. Колонна может быть подвержена дейст |
|
вию сжимающей силы и моментов в двух плоскостях |
|
(косое внецентренное сжатие). Форма и размеры сече |
|
ния, нагрузки, материалы задаются в интерактивном |
|
режиме. |
|
Выполняет проверку сечения, определяет расчетную |
||
|
площадь арматуры и выполняет конструирование |
||
|
колонны. |
|
|
Ф УНДАМ ЕНТ |
Позволяет запроектировать |
монолитный |
фундамент |
|
под колонны и участки стен для заданных инженерно |
||
|
геологических условий; выполняет расчет основания, |
||
|
расчет и конструирование фундамента. |
|
|
ПОДПОРНАЯ |
Проектирует монолитную |
уголковую |
подпорную |
СТЕНА |
стену и выполняет проверку массивной подпорной |
||
|
стены для заданных инженерно-геологических усло |
||
|
вий; выполняет расчет устойчивости основания, расчет |
||
|
и конструирование подпорной стены. |
|
|
ПЛИТА |
Дает возможность выполнить расчет и проектирование |
||
|
плиты перекрытия, фундаментной плиты на грунтовом |
||
|
и свайном основаниях. Контур плиты может иметь |
||
|
произвольное очертание, учитывается наличие отверс |
||
|
тий, участков разной толщины плиты. Для фундамен |
||
|
тной плиты учитывается наличие участков с разными |
||
|
характеристиками грунта. Нагрузка равномерно рас |
||
|
пределена по плите, произвольный штамп нагрузки, |
||
|
сосредоточенная сила. |
|
|
РАЗРЕЗ |
Позволяет запроектировать монолитную железобетон |
||
(СТЕНА) |
ную стену произвольного контура совместно с примы |
||
|
кающими рамными конструкциями. Учитывается на |
||
|
личие отверстий, участков разной толщины стены; |
||
|
выполняет статический расчет плоской схемы разреза |
спостроением эпюр усилий, изополей перемещений
инапряжений; определяет расчетную площадь арма туры для стеновых элементов и выполняет констру ирование для указанных зон армирования.
ПК «МОНОМАХ» имеет встроенную экспертную систему, которая в процессе расчета сообщает пользователю о некоррект ных приемах решения: недостаточном сечение элемента, переармировании и т.п.
4. Расчетные комплексы для конечно-элементного анализа грунтового основания
Опыт строительства ответственных сооружений и особенно нарастающее число известных аварий на строящихся или ранее по строенных объектах указывают на необходимость учета реальных свойств геотехнической среды при одновременном подробном представлении особенностей конструкций и технологии их возве дения. На современном этапе для решения этих проблем применя ются специализированные программные средства численного ана лиза напряженно-деформированного состояния грунтового основа ния и взаимодействия фундаментных конструкций с грунтом: PLAXIS (PLAXIS BV, Нидерланды); Z_SOIL PC 2007, разработка которого была начата в Калифорнийском технологическом инсти туте и продолжается в настоящее время международным коллекти вом разработчиков; Fem Models (С.-Петербург, Россия) и другие. На примере одного из них покажем возможности этих программных продуктов.
PLAXIS - расчетный комплекс, состоящий из набора приклад ных вычислительных программ для конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния грунтового основания в условиях плоской и осесимметричной задач [88]. Предназначен для решения сложных геотехнических задач на этапах строительст ва, эксплуатации и реконструкции сооружения. Программа находит применение во всех видах традиционной геотехнической инжене рии: она используется при проектировании дамб и водохранилищ, сооружении фундаментов и оснований, насыпей, котлованов и под порных стенок, укреплении откосов, расширении дорог, перемеще нии плотин, решении вопросов инфильтрации (просачивания), про ектировании тоннелей, проходческих щитов, станций метро.
Основные возможности программы:
-Моделирование грунтов с применением моделей, апробиро ванных в современных геотехнических расчетах (упругопластиче ская модель Кулона-Мора, модель слабого грунта типа Cam-Clay, реологическая модель с учетом ползучести грунта, упругопластиче ская модель упрочняющегося грунта, упругопластическая модель анизотропного скального грунта).
-Моделирование строительных конструкций набором готовых специальных элементов: плитных элементов для моделирования гибких плоских конструкций; стержневых элементов для моделиро вания анкеров, распорок, стоек, раскосов; элементов обделки тун нелей кругового и некругового сечения; тонких плоских элементов для моделирования геотекстиля, геосеток.
-Расчет начального напряженного состояния грунтового мас сива с учетом процесса его формирования.
-Расчет избыточного порового давления в процессе консоли дации водонасыщенных глинистых грунтов.
-Расчет напряжений и деформаций в элементах системы «осно- вание-фундамент-сооружение». Оперативный визуальный анализ развития напряженного и деформированного состояний в любом элементе расчетной схемы (конструкция, грунт) на любом этапе рас четов с помощью графических материалов (таблицы, эпюры, изоли нии, графики, анимационное представление).
-Создание расчетных схем в режиме черчения CAD с учетом неоднородности строения грунтового основания, геометрии соору жения, действующих нагрузок и граничных условий.
Внастоящее время разработаны дополнительные модули, рас ширяющие возможности программного комплекса:
♦PLAXIS DYNAMICS - анализ воздействия на грунты вибра ций, причиной которых служат забивка свай, дорожное движение, землетрясение и т.д.
♦PLAXIS 3D TUNNEL - трехмерный анализ деформаций и ус тойчивости при проектировании тоннелей, сооружаемых как щито вым способом, так и с использованием тоннельной оболочки.
♦PLAXFLOW - фильтрационный расчет насыщенных и нена сыщенных водой грунтовых массивов в условиях плоской задачи методом конечных элементов.
♦PLAXIS 3D FOUNDATION - анализ напряженно-деформиро ванного состояния системы «основание - фундамент - сооружение»
вусловиях трехмерной (пространственной) задачи.
5. Универсальный конечно-элементный программный комплекс ANSYS
Универсальные многоцелевые пакеты проектирования и анали за (ANSYS, NASTRAN, ABAQUS, LS-DYNA, STAAD, GTSTRUDL и др.) строятся по модульному принципу с универсальными инфор мационными и управляющими связями между модулями. Это гиб кие и удобные системы численного моделирования для широкого круга отраслей производства, в том числе и строительства, позво ляющие выполнять полноценный анализ своих проектных разрабо ток и тем самым добиваться максимальной эффективности затрат на вычислительную технику и программные средства.
На примере программы конечно-элементного анализа ANSYS [5, 26, 80], разработанной Джоном Свенсоном и сотрудниками фирмы Swanson Analysis Systems Incorporated (SASI) в 1970 году и являющейся одной из самых мощных в мире, имеющей сертифи кат ISO 9001, покажем возможности такого рода программ. ANSYS работает в среде операционных систем самых распространенных компьютеров - от PC (в среде Windows) до рабочих станций и супер компьютеров, в последнем случае, главным образом, в операцион ной среде UNIX.
Универсальность программы заключается в том, что ее можно использовать при решении широкого круга технических задач:
прочности, теплофизики, гидро-газодинамики, электромагнетиз ма, аэроупругости, акустики, вибрации, а также можно решать свя занные задачи.
ANSYS выполняет сложный прочностной анализ конструк ций (статический, динамический) с учетом разнообразных нели нейностей, среди которых геометрическая и физическая нелиней ности, нелинейное поведение конечных элементов, потеря устой чивости конструкций. Используется для точного моделирования поведения больших и сложных расчетных моделей (например систе мы «здание - фундамент - основание»), является средством, с помо щью которого можно решать задачи оптимизации конструкций на стадии проектирования, а также контактные задачи.
Программа ANSYS содержит ряд специализированных моду лей, в частности для строительной отрасли:
♦CIVILFEM - для анализа строительных конструкций,
включающий библиотеку свойств строительных материалов, биб лиотек сечений, элементы и методики расчета армированных балок
иоболочек, предварительно напряженного бетона, нелинейный ана лиз бетонов, проверки бетонов, стальных элементов согласно зару бежным нормам, механику грунтов, модули по расчету дамб, мостов, нагрузок от транспортных средств.
♦ANSYS/LS-DYNA - для моделирования и исследования про цессов столкновений и аварий, разрушения конструкций, сложных объектов под воздействием статических и динамических нагрузок; для моделирования процесса землетрясения, а также технологиче ских процессов, болтовых и заклепочных соединений и других.
ANSYS имеет связь с CAD-системами: AutoCAD, Autodesk Mechanical Desktop, Microstation, Unigraphics, Pro/Engineer, Solid Works и др. и связь с САЕ-САМ-системами: NASTRAN, ABAQUS и другими.
Все типы расчетов, выполняемые программой ANSYS, основа ны на классических инженерных представлениях и концепциях. Со вокупность дискретных областей (элементов), связанных между собой в конечном числе точек (узлов), представляет собой матема тическую модель системы, поведение которой нужно анализиро вать. Основными неизвестными являются степени свободы узлов конечно-элементной модели. К степеням свободы в зависимости от типа анализа относятся перемещения, повороты, температуры, давления, скорости, потенциалы электрических или магнитных по лей; их конкретное содержание определяется типом элемента, кото рый связан с данным узлом. В соответствии со степенями свободы для каждого элемента модели формируются матрицы жесткости (или теплопроводности), масс, сопротивления (или удельной тепло емкости). Эти матрицы приводят к системам совместных уравнений, которые обрабатываются так называемыми «решателями». ANSYS содержит самый широкий набор методов решения среди конечно элементных пакетов, обеспечивающих быстрейшее решение задач любой размерности (от 1000 до 1000000 неизвестных и более).
По умолчанию для решения систем уравнений используется фронтальный решатель, в котором имеется так называемый Rank-n алгоритм, обеспечивающий параллельную обработку системы урав нений, т.е. вычисление основных неизвестных не порознь, а группа ми (на основе метода Гаусса).
В качестве альтернативы фронтальному решателю можно ис пользовать любой из итерационных решателей на основе трех итерационных методов: метода обусловленных сопряженных гра диентов, метода сопряженных градиентов Якоби и метода частич но сопряженных градиентов Холесского, которые сокращают вре мя решения и ресурсы компьютера при анализе больших моделей. С помощью алгоритмов прямого действия обычно получают «точ ное» решение системы, а итерационные решатели дают сходящее ся от итерации к итерации приближенное решение.
Решатель ПК ANSYS - воплощает новый уровень технологии расчетов, он снабжен «распознавателем» конечных элементов, дает возможность проводить анализ сложных задач, используя настоль ные рабочие станции, при этом для больших задач обеспечивается
на порядок более быстрое решение и большая экономия дисковой памяти.
Библиотека программы насчитывает более 110 конечных эле ментов. Многие из них снабжены опциями, позволяющими вносить новые подробности и детали в формулировку элемента, что значи тельно увеличивает объем библиотеки элементов. Конечные элемен ты предназначены для моделирования двумерных (2D) или трехмер ных (3D) моделей и могут рассматриваться как объекты, принимаю щие следующие геометрические формы: точка, линия, поверхность или объем.
В распоряжении пользователя имеются как линейные, так и квад ратичные (с промежуточными узлами в середине стороны) элементы.
Многие элементы прочностного и теплового анализа снабжены средствами определения ошибки решения, что используется в про грамме для вычисления той доли погрешности, которая связана, главным образом, с дискретизацией сетки.
В настоящее время наблюдается явно выраженная тенденция все большего усложнения используемых расчетных схем и увели-
С помощью этой программы формируется геометрическая мо дель здания или сооружения, задаются граничные условия и внеш ние нагрузки. При этом автоматизированные инструменты поэтаж ного создания модели и задания внешних нагрузок естественны и понятны инженеру-строителю. По результатам созданной модели автоматически формируется программный код (программа) на язы ке APDL, который передается в ANSYS для расчета.
В заключение следует отметить, что современный рынок про граммных средств, предназначенных для расчетов и обоснования проектных решений в строительстве, достаточно обширен, но при этом следует понимать, что идеальных программ не бывает. Пра вильный выбор необходимого программного обеспечения с учетом решаемых задач позволит сэкономить значительные денежные средства как в настоящем, так и в будущем.
Контрольные вопросы
1.Расскажите о программах автоматизации инженерных мето дов расчета.
2.Раскройте понятие «интегрированные системы прочностного анализа».
3.Дайте характеристику вычислительного комплекса ЛираWindows.
4.Расскажите о проектно-вычислительном комплексе Structure
CAD (SCAD Office).
5.Характеризуйте комплекс по расчету и конструированию железобетонных монолитных зданий МОНОМАХ.
6.Расскажите о современных расчетных комплексах для конеч но-элементного анализа грунтового основания.
7.Расскажите о возможностях универсального конечно-элемен
тного программного комплекса ANSYS.