Главная » Книжные издания

1 2 3 4 5 ... 34

замораживаются и суммируются с усилиями, полученными для следующей схемы. Здесь изменения более чем значительны. Так, например, момент в середине фундаментной балки изменил величину и знак, и, вообще, схема работы фундаментной балки полностью изменилась, по сравнению с первыми двумя. Изменилась и схема работы стоек.

Можно говорить о том, что последняя эпюра моментов получена на основе компьютерного моделирования, т.к. схема (рис. 1.2 в) получена на основе моделирования процесса возведения*. Рассматривая приведенные подходы в исследовании этой простейшей конструктивной схемы, можно говорить о том, что все расчетные схемы и полученные результаты правильные (!?) с точки зрения правильного отображения заложенных в них предпосылок.

С точки зрения правильного отображения действительной работы конструкции эти правильные схемы имеют далеко не одинаковую степень приближения. Даже для приведенного простейшего примера далеко не исчерпаны факторы, которые могли бы приблизить результаты расчета к адекватному отображению действительной работы конструкции. Вместо винклеровской модели можно принять модель упругого полупространства (в данном случае полуплоскости), учесть нелинейную работу грунтового основания (например, по схеме Кулона) и материала конструкции, учесть, что временные нагрузки могут действовать не одновременно и многое другое.

Еще целый пласт возможных расчетных модулей образуется на основе стохастического подхода. С большой степенью вероятности (уже это часто встречающееся сочетание слов свидетельствует о том, что мы живем в вероятностном мире и при решении многих проблем возможен вероятностный подход) можно говорить, что все используемые в настоящее время расчетные схемы и компьютерные модели конструкций (в том числе и рассмотренные выше) основаны на детерминистическом подходе. Это означает, что геометрия конструкции, характеристики материала, нагрузки и др. описываются фиксированными величинами.

В рамках стохастического подхода, который во многом может показаться более естественным, чем детерминистический, параметры описывающие геометрию конструкции и характеристики материала являются случайными величинами, а описания нагрузок, особенно таких как ветровые или сейсмические, выполняется на основе случайных (в общем случае нестационарных) процессов. Эта ситуация всегда была в поле зрения ученых [1.24, 1.25]. Одним из аргументов перехода в 60-х годах от единого коэффициента запаса к набору повышающих (перегрузки) или понижающих (условия работы для материала) коэффициентов. Такая замена, по мнению авторов такого подхода, создавала предпосылки для

* Все многочисленные результаты расчетов и компьютерного моделирования, приведенные в этой книге, получены на основе программного комплекса ЛИРА .



более удобного внесения поправок в эти коэффициенты на основании дальнейших исследований вероятностных свойств нагрузок и материала. В последнее время коэффициенты перегрузки заменили коэффициентами надежности. В 60-х - 70-х годах наблюдался некоторый всплеск исследований в области вероятностного подхода [1.26, 1.27, 1.28]. В характерной для того периода работе [1.29] рассматривалась возможность определения вероятности разрушения для достаточно сложных конструкций (статически неопределимая ферма с учетом физической нелинейности). Характеристики материала и нагрузок задавались гистограммы для случайных величин, хотя рассматривалась возможность и задания нагрузок как случайных стационарных процессов. В основу решения задачи был положен метод стохастических испытаний [1.30], для которых использовался метод Монте-Карло с различными модификациями (метод выделения главного объема, метод стратификации, метод антикоррелированных выборок). По сути, в этой статье было продемонстрировано, что методы компьютерного моделирования во многом решают проблему численной реализации вероятностного подхода.

Несмотря на то, что с тех пор мощность компьютеров резко возросла и в какой-то степени можно говорить, что численная реализация вероятностного подхода может стать доступной в конкретных расчетах, этот подход остается уделом научных исследований. Это объясняется неподготовленностью нормативной базы и слабым статистическим материалом, характеризующим вероятностные свойства конструктивных схем и нагрузок. Поэтому инженерная практика расчета и проектирования конструкций осталась на прежних детерминистических позициях, а в ряде областей (мостовые конструкции) до сих пор использует подходы, основанные на коэффициенте запаса. Это объясняется, с одной стороны устоявшимся, хорошо разработанным аппаратом, основанным на детерминистическом подходе, с другой стороны сложностью изучения вероятностных свойств нагрузок и материала с выработкой практических рекомендаций, а также удобного инженерного аппарата учета этих свойств в практических расчетах. Хотя, безусловно, детерминистический подход определения параметров напряженно-деформированного состояния и сравнение их с допустимыми является менее естественным, чем определение количества отказов (разрушения конструкции) в заданный период времени и сравнение его с количеством допустимых отказов.

Конечно, ряд возможных расчетных моделей может быть продолжен. И в этой ситуации как быть специалисту при выполнении конкретного расчета, когда он должен выдать решения для дальнейшего конструирования? Как разобраться в этом огромном количестве расчетных схем и моделей? Рассуждения на эту тему будут продолжены в следующем разделе.



1.3 Расчет - это способ рассуждения

В предыдущем разделе показано, что даже для простой конструкции (П - образной рамы, что может быть проще) возможно большое количество компьютерных моделей, на основе которых полученные параметры напряженно - деформированного состояния могут значительно отличаться. Причем рассматривалась только стержневая система, для которой имеется возможность получить точное решение (в смысле решения дифференциальных уравнений). Для пластинчатых и массивных конструкций решения на основе метода конечных элементов являются приближенными, и это порождает еще один практически неограниченный ряд возможных компьютерных моделей, обусловленный применением различных типов конечных элементов (различные геометрические формы, аппроксимирующие функции, степени свободы) и различных видов расчетной сетки (различный шаг, равномерная, неравномерная сетка). Применение различных конечно-элементных моделей также может давать различные результаты. Как разобраться специалисту в этом лабиринте возможных компьютерных моделей, когда ему необходимо ответить на конкретный вопрос: как запроектировать конструкцию, чтобы с одной стороны была достаточно экономичной, а с другой стороны обладала необходимой надежностью.

Ответ на этот, казалось бы, сложный вопрос, может оказаться неожиданно простым: расчет - это способ рассуждения. А результаты расчетов и исследований, полученные на основе различных компьютерных моделей - это информация для такого рассуждения.

Небольшое отступление.

Лее Гумшевский в книге Русские инженеры писал: В старину на Руси строители городов, укреплений, мостов, плотин - все те, кого сегодня назвачи бы инженерами, называчись розмыслами. Розмысл обязан был размыслить задачу, опираясь не только на собственный опыт, но и на весь опыт, накошенный его предшественниками, на свой ум, изобретательность... , и на информацию, которую предоставляет компьютерное моделирование, - добавип бы автор этой книги, если бы жип в наше время.

Такой простой ответ для определенного круга специалистов, особенно для инженеров, мировоззрение которых формировалось в докомпьютерный период, может оказаться слишком упрощенным. Ведь раньше все было гораздо проще: точно рассчитывалась рама, точно рассчитывалась балка; если схема была сложнее, то принималась одна или несколько упрощенных схем, которые можно было решить точно. СНиП таюке как будто давал ответы на все вопросы, которые неукоснительно соблюдались. Почему сейчас, когда казалось компьютеры должны облегчить работу инженера ситуация на первый взгляд оказалась усложненной.

Конечно, при анализе этой ситуации имеется много аспектов.



Во-первых, И раньше многие инженеры относились к расчету как к способу рассуждения. Просто для этих рассуждений было меньше информации, поэтому требовалось больше интуиции и опыта. Естественно, что недостаток информации часто компенсировался большими запасами.

Во-вторых, появление компьютеров позволило учитывать в повседневной деятельности инженеров многие факторы (учет геометрической и физической нелинейности, монтаж и многое другое), которые ранее были уделом только научных исследований.

В-третьих, несколько изменились взгляды на СНиП. СНиП и раньше допускал возможность отступления от установленных правил. Например, при обоснованном расчете допускалось увеличивать размеры температурных блоков. Допускались и определенные алогизмы: расчет сооружения допускался в линейной постановке, а расчет сечений железобетонных элементов необходимо было выполнять в стадии предельного равновесия, которое основывается на нелинейной работе материала. И это естественно, так как нельзя все предусмотреть, нельзя заранее дать ответ на все вопросы. Поэтому вполне логично относиться к строительным нормам и правилам как к рекомендательному материалу. В Западной Европе Еврокод носит рекомендательный характер. В России принят закон о техническом регулировании, где говорится о необязательности соблюдения СНиПа. Все это также осложняет жизнь инженера, ведь свобода выбора - это тяжкое бремя. Рискнем высказать достаточно крамольную мысль (надеемся, что она будет неприемлемой только для небольшой части специалистов), что тенденции отхода от диктата строительных норм и правил в дальнейшем будут усиливаться.

Небольшое отступление.

В предисловии к вышедшей в 2003 году книге М.М. Корнеева Сттьные .мосты , выдающийся мостовик современности Г.Б. Фукс говорит: Стшьные .мосты представляет собой оригинальную работу, рассчитанную на инженера, который не удовлетворяется в своей повседневной работе формачьньш соблюдением норм... Основным инструментом обеспечения надежности проектируемых конструкций будет становиться компьютерное .моделирование, на основе которого проектант будет получать необходимую ему инфор.ма1{ию. Осмысление и обобщение этой ииформагии будет лежать в основе проектируемых конструкций .

Современные компьютерные программы совершенствуются и в направлении облегчения выбора - встроенные экспертные системы, графический анализ результатов, сравнение результатов по различным расчетным схемам, выдача информации о тенденциях изменения свойств системы на основе коэффициентов чувствительности и многое другое.

Весь материал этой книги служит рассмотрению рекомендаций для такого выбора, однако, пока окончательный выбор на основе рассуждений - это прерогатива инженера.



Небольшое отступление, подтверждаюп1ее плодотворность рассуждений на основе компьютерного моделирования.

Случай ш жизни.

В начале 80-х на построенном здании пансионата Дружба в Крыму обнаружились трещины и автор проекта был вызван в Крым, так как ситуагия некоторыми специалистами была расценена как аварийная. Конструкция предстаачяча собой криволинейную стену, покоящуюся на трех опорах и связанную со сложной системой перекрытий, отверстий, балконов, лоджий, эркеров. В процессе проектирования производились подробные расчеты, в том числе и компьютерное моделирование процесса нагружения конструкции с учетом реологических свойств железобетона. Компьютерное моделирование проводтось на основе ПК ЛИРА, функционирующем тогда на ЕС ЭВМ. При^ выезде на объект было обнаружено совпадение компьютерной картины расположения трещин с действительной. Затем на основе компьютерного моделирования, которое выявипо дополнительные резервы несугцей способности этой сложной конструкции за счет приспособляемости, было определено, что разрушающая нагрузка в четыре раза превышает экстуатационную. Таким образом, на основе многочисленных компьютерных моделей, построение и аначиз которых все время сопровождался рассуждениями о работе этой сложной не имеющей аначогов конструкции, несмотря на опасения многих специалистов, был сделан вывод: конструкция жизнеспособна. Этот вывод был подтвержден временем.

Весьма вероятно, что в ближайшем будуш.ем (вначале для сложных конструкций, не имеющих аналогов) традиционная технология, основанная на линейно-упругом расчете на отдельные нагружения, а затем конструирование на основе расчетных сочетаний усилий будет вытесняться технологией основанной на компьютерном моделировании процессов нагружения, процессов монтажа, поведения конструкции в эксплуатационной стадии. При этом будут сниматься многие несуразности традиционной технологии, например, противоречия между расчетом в упругой стадии и подбором сечений по предельному состоянию, которое снимет компьютерное моделирование с учетом физической нелинейности, а противоречия между расчетом по нeдeфopмJй[poвaннoй схеме и дальнейшим неестественным учетом гибкости элемента снимет компьютерное моделирование по деформированной схеме и мн. др. Таким образом, информация для размышления будет становиться все более полной и адекватной.

1.4 Программные комплексы - инструментарий компьютерного моделирования

Судя по ИНТЕРНЕТУ количество программных комплексов реализующих МКЭ измеряется уже сотнями, хотя программные комплексы для массового применения ( промышленные ПК) можно перечислить по пальцам. Их практически полный перечень приведен ниже.



При отборе программных комплексов для сравнения, прежде всего авторы руководствовались его ориентацией на строительную область и на возможность массового применения. С одной стороны это объясняется направленностью материала книги, с другой стороны тем, что среди большого количества представленных в ИНТЕРНЕТЕ программных комплексов реализуюш,их метод конечных элементов в перемеш.ениях, имеется много разработок, выполненных небольшими группами исследователей (в основном это разработки многочисленных лабораторий американских университетов) и ориентированнык на решение узкой научной проблемы, например, проблемы магнитостатики или электромагнетизма переменного тока и т.п.

Табл. 1.1

1 S 1

ill 111

с

H Д

t< о

a о о о

Конструирующая система

CO Й

STAAD

www.staadpro.co.uk

STRAP

www.atir.com

COSAR

www.femcos.com

NASTRAN

www.NENastran.com

STRUDL

www.gtstrudl.gatech.edu

ANSYS

www.ansYS.com

LUSAS

www.lusas.com

ROBOT

robol-structures.com/fr/

CADFEM

www.cadfem.com

ADINA

www.adina.com

DIANA

www.diana.tno.nl

SOLVIA

www.solvia.se

LISA

www.lisa-fet.com

MARC

www.marc.com

COSMOS

www.cosmosm.com

STARK

www.eurosoft.ru

www.lira.com.ua



Поэтому авторы стремились представить в таблице только те комплексы, которые могут представлять интерес для специалиста, профессионала, деятельность которого лежит в области расчета и проектирования строительных конструкций.

Этим объясняется состав граф таблицы, которые кроме наименования программного комплекса и адреса сайта, содержат следующую информацию:

Полнота библиотеки конечных элементов - для )шиверсального программного комплекса очень важно, чтобы класс решаемых задач (стержневые системы, комбинированные системы, солид тела) был достаточно представительным.

Суперэлементы - реализация суперэлементного подхода в настоящее время имеет большое значение, в связи с тем, что, как правило, для современных объектов строительства (большепролётные покрытия, высотные здания и т.п.) используется большеразмерная конечноэлементная модель. Так как практически во всех программных комплексах для решения систем линейных уравнений используется метод исключений (Гаусса) и его многочисленные модификации (фронтальный метод, метод Халецкого, метод небоскрёбов, ленточный метод), то количество решаемых уравнений, как правило, ограничивается 200-300 тысячами неизвестных (из-за ухудшения обусловленности матрицы при увеличении количества неизвестных) и суперэлементный подход во многих случаях преодолевает эту проблему.

Физическая и геометрическая нелинейность - эта характеристика программного комплекса также очень важна, так как компьютерное моделирование строительных объектов, не имеющих аналогов, обуславливает применение моделей максимально приближенных к действительной работе материала (трещинообразование и ползучесть бетона, существенное изменение геометрии под нагрузкой для таких конструкций как вантовые покрытия, мембраны, тонкостенные бункеры силоса и т.п.).

Конструирующие системы - железобетон и металл - для проектирования строительных конструкций очень важно, чтобы программный комплекс автоматизировал не только статический и динамический расчет, но и автоматизировал ряд операций, связанных с проектированием железобетонных и стальных конструкций. Если реализация конечно-элементной процедуры в настоящее время уже стала уделом отдельных научных работников или даже студентов, то реализация проектных процедур (подбор и проверка сечений железобетонных и стальных элементов как минимум, и выдача рабочих чертежей как максимум) является уделом аналитиков, имеющих большой опыт проектирования и знающих не только набор



национальных норм, но и специфику проектирования того или иного региона. Поэтому, если известных программных комплексов, реализующих только конечно-элементную процедуру очень много (как уже указывалось больше сотни), то наличие конструирующих подсистем уже является прерогативой очень небольшого количества разработок, которые уже можно сосчитать по пальцам. Монтаж - наличие этой процедуры в настоящее время вызывает большой интерес у специалистов, так как, процесс возведения сложного сооружения связан с многостадийным изменением конструктивных схем. Причем, каждая стадия возведения может быть определяющей для того или иного конструктивного элемента.

Безусловно, набор сравнительных характеристик недостаточно полон. Так, например, отсутствует такая характеристика, как наличие графической среды пользователя. Авторы подразумевают, что такая среда должна присутствовать в каждом программном комплексе, в противном случае он просто не пригоден для применения.

Анализируя таблицу можно ещё сузить список программных комплексов, с которыми специалисту имеет смысл ознакомиться с целью выбора наиболее приемлемого для своей профессиональной деятельности. Этот список может выглядеть так (в скобках указана строка, в которой базируются разработчики): STRAP (Израиль), STAAD, NACTRAN, STRUDL, ANSIS, COSMOS, ADINA (США), DIANA (Голландия), ROBOT (Франция), STARK (Россия), LIRA (Украина).

Для специалиста, занимающегося непосредственно проектированием строительных объектов, безусловно, предпочтительнее будет программный комплекс, имеющий конструируюпще подсистемы, в которых реализованы стандарты и нормы того региона, для которого специалист ведёт проектирование.

Американские программы, имеющие конструирующие подсистемы, в основном реализуют нормы США и Канады. Европейские программы, включая программные комплексы STARK и LIRA, реализуют Еврокод.

В программных комплексах STARK и LIRA реализованы также нормы стран СНГ, поэтому для этого региона именно эти программные комплексы являются наиболее привлекательными.



Литература к главе 1

1.1 Строительная механика в СССР 1917-1957. Сборник статей под редакцией И.М. Рабиновича, М.: Госстройиздат, 1957.

1.2 СосисП.М. Опыт механизации инженерных расчетов на машиносчетной станции. Строительная механика и расчет сооружений. -М.: Издательство литературы по строительству, 1960, -№3.

1.3 Резников Р.А. Методы решения задач строительной механики на электронных цифровых машинах.

1.4 Резников Р.А., Горлов A.M., Левитман B.C., Якобсон Л.С. и др. Применение ЭЦВМ к расчетам строительных конструкций в практике проектных организаций (опыт института Гипротас). ЭЦВМ в строительной механике. Труды первого всесоюзного совещания по применению ЭЦВМ в строительной механике (г. Ленинград, 1963г.).-Л.,-М.: Издательство литературы по строительству, 1966.

1.5 Вайнберг Д.В., Дехтерюк Е.С., Синявский А.Л. методы спуска в програмировании задач строительной механики пластин и оболочек . ЭЦВМ в строительной механике. Труды первого всесоюзного совещания по применению ЭЦВМ в строительной механике (г.Ленинград, 1963г.).-Л,-М.: Издательство литературы по строительству, 1966.

1.6 СосисП.М. Статически неопределимые системы. -К.:Буд1вельник, 1968.

1.7 Дмитриев Л.Г. Возможные расчетные стержневые модели некоторых непрерывных систем. ЭЦВМ в строительной механике. Труды первого всесоюзного совещания по применению ЭЦВМ в строительной механике (г. Ленинград, 1963г.).-Л,-М.: Издательство литературы по строительству, 1966.

1.8 ГильманГ.Б. Расчет тонких упругих пологих оболочек с использованием стержневых аппроксимаций. Сборник Применение электронных математических машин в строительной механике , -К.: Наукова думка, 1968.

1.9 Городецкий А.С. Вопросы расчета конструкций в упруго-пластической стадии с учетом применения ЭЦВМ. ЭЦВМ в строительной механике. Труды первого всесоюзного совещания по применению ЭЦВМ в строительной механике (г. Ленинград, 1963г.).-Л,-М.: Издательство литературы по строительству, 1966.

1.10 Городецкий А.С. К расчету тонкостенных железобетонных конструкций в неупругой стадии. Сборник трудов НИИСК Строительные конструкции . -К.:Буд1вельник, 1965. -№3.

1.11 Варвак П.М., Развитие и приложение метода сеток к расчету пластинок. К.: Из-во АНУССР, 1949.



1.12 РжаницынА.Р. Представление сплошного изотропного упругого тела в виде шарнирно-стержневой системы. Сборник Исследование по вопросам строительной механики и теории пластичности . -М.: Госстройиздат, 1956.

1.13 Городецкий А.С, Гильман Г.Б. О стержневых расчетных схемах тонкостенных железобетонных конструкций. Строительство и архитектура, 1968, №10.

1.14 Courant R., Variable methods for the solution of problems of equilibrium and vibration. Bull. Amer Math. Soc, vol. 49, N1, 1943.

1.15 Вайнберг Д.В., Городецкий А.С, Киричевский В.В., Сахаров А.С. Метод конечных элементов в механике деформируемых тел. -К.: Прикладная механика, 1972, т 8, вып. 8. -С. 3-28.

1.16 Zienkiewicz О.С, Cheung Y.K., Finite elements in the solution of field problems, the Engineering, vol. 220, 1965.

1.17 Turner M.J., CloughR.W., Martin H.C, ToppL.J. Stiffness and deflection analysis of complex structures. -J.: Aeronaut.Sci., 1956, 23 №9, p. 24-239.

1.18 Розин Л.A. Расчет гидротехнических сооружений на ЭЦВМ. Метод конечных элементов, -Л.: Энергия, 1971. -213с.

1.19 Розин Л.А. Основы метода конечных элементов теории упругости. -Л.:Из-во ЛПИ, 1971.-77с.

1.20 КорнеевВ.Г. Сопоставление метода конечных элементов с вариационно-разностным методом решения задач теории упругоста. -М.: Известия ВНИИГ , 1967, т 8. -С. 287-307.

1.21 Городецкий А.С, Горбовец А.В. Мираж - программа для расчета стержневых, пластинчатых и массивных конструкций методом конечных элементов на ЭВМ МИНСК~22 . -К.:Препринт УкрНИИпроект, 1970. -94с.

1.22 Городецкий А.С, Перельмутер А.В., Сливкер В.И. Интеллектуальная программная система - прогноз новых возможностей . Системы автоматизированного проектирования объектов строительства. -К.: Буд1вельник, 1989.-С.43-56.

1.23 Городецкий Д.А. интеллектуальная программная система для автоматизированного проектирования конструкций из монолитного железобетона. -К.: Буд1вництво Украши , 1997. -№4. -С: 37-41.

1.24 РжаницынА.Р. Определение запаса прочности сооружений. -М.: Строительная промьппленность , 1947.-№8..

1.25 Стрелецкий Н.С. Избранные труды. -М.: Стройиздат, 1975.

1.26 Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике.-М.: Госстройиздат, 1965.

1.27 Болотин В.В. Применение методов теории вероятности и теории надежности в расчетах сооружений. -М.: Стройиздат, 197L



1 2 3 4 5 ... 34