18.05.2020

Современные методы оценки механической безопасности

Практический опыт научно-технического сопровождения: ЛИРА-САПР в среде CAE-систем, технологические тренды отрасли.

Чаускин Андрей Юрьевич
Кандидат технических наук,
Генеральный директор «РЕМ Системс» (компания-резидент Фонда «Сколково»)
e-mail: a.chauskin@remsystems.ru
Тел. +79779723384

Научно-техническое сопровождение (НТС) – неотъемлемая часть любого жизненного цикла строительства зданий и сооружений повышенного уровня ответственности. Проектируемый Объект попадает под класс сооружений КС-3? Объект уникальный, технически сложный или особо опасный? Площадка строительства 10 и более баллов сейсмической интенсивности? На этапе строительства Объект достиг предельно допустимого значения крена (почему-то)? Если Вы ответите «да», то наверняка необходимо проведение НТС, а данных вопросов и оснований для его проведения в разы больше. НТС является комплексом мероприятий, нацеленных на обеспечение механической безопасности Объекта, когда строительство сопровождается нетиповыми, выходящими за рамки регламентирующих положений действующих нормативно-правовых актов. С другой стороны, имеет место быть желание заказчика оптимизировать несущие конструкции, уменьшить сметную стоимость строительства, используя современные научные достижения строительства и смежных областей.

Основным и наиболее мощным инструментом при проведении НТС является использование программных комплексов численного / компьютерного моделирования (CAE-системы), реализующие современные формулировки метода конечных элементов. И здесь встаёт достаточно важный вопрос: какой инструмент выбрать для решения конкретной задачи? Из этого стоит выделить две группы программных комплексов: специализированные и универсальные, так называемые «тяжёлые» комплексы. Данные группы обладают своими преимуществами и недостатками, но работа с ними в единой среде CAE-систем позволяет эффективно решать задачи любого класса и сложности.

В данном материале немного расскажу об опыте использования ПК Лира-САПР как автономного комплекса, так и в «связке» с универсальными комплексами и другими «тяжёлыми» технологиями, представленные линейкой SIMULIA (Dassault Systems). Часть представленных объектов выполнены мной как ответственного исполнителя во время работы в ЗАО «НИЦ СтаДиО. Другие работы выполнены в рамках моих исследовательских работ, в том числе на грантовой основе и разрабатываемого проекта «РЕМ Системс» в «Сколково».

Более подробную информация Вы можете узнать из видеоматериала

При выборе инструмента и метода анализа механической безопасности можно руководствоваться схемой, представленной на рисунке 1. Данная схема приблизительная и основана на многолетнем опыте проведения расчётных обоснований Объектов различной сложности. На ней стоит отметить область пересечения использования инструментов, охватывающей классы КС-2 и КС-3, в которой можно (и нужно) реализовать обратную связь, позволяющая получить максимальные преимущества CAE-систем к решению задачи. Сюда и входит такой инструмент как Лира-САПР, динамично развивающийся программный комплекс, позволяющий решать широкий спектр задач, в том числе связанные с классом Объекта КС-3.

rem_01.jpg
Рисунок 1 – Использование CAE-систем в зависимости от целевого Объекта

Несколько примеров практического использования ПК Лира-САПР в среде CAE-систем в рамках выполнения научно-технического сопровождения.

Первым, одним из немногих Объектов, является 45-этажный многофункциональный жилой комплекс. В рамках НТС, производились расчётные исследования напряжённо-деформированного состояния, прочности и устойчивости несущих конструкций, включая учёт гипотетических локальных разрушений, а также производился сравнительный анализ результатов альтернативных обоснований, выполненных в двух организациях. Большая часть работы выполнена в ПК Лира-САПР.

Некоторые особенности расчётного исследования в рамках данного НТС:

  • Учёт хронологии возведения;
  • Квазидинамический учёт отказа несущих конструкций при особом сочетании нагрузок и воздействий;
  • Обоснование использования КЭ толстой оболочки (КЭ 45-47);
  • Разработка подпрограммы, позволяющая реализовать двустороннюю связку между ПК Лира-САПР и SIMILIA Abaqus (трансляция координат узлов, конечных элементов, нагрузок, вычисление и трансляция коэффициентов постели). Основание разработки – уточнённая оценка напряжённо-деформированного состояния основания, включая армирующие элементы, решение задачи SSI (Soil-Structure Interaction)
rem_02.jpg
Рисунок 2 – а). КЭ-модель исследуемого Объекта б). Сопоставление форм и значения частот собственных колебаний (Лира-САПР и SCAD) в). Импортированные коэффициенты постели, полученные по результатам анализа грунтового массива г). Фрагменты грунтового массива (SIMULIA Abaqus)

Для сравнительного анализа во внимание принимались такие критериальные параметры как: перемещения и ускорения верхних этажей, осадка и крен, максимальные усилия в несущих конструкциях, сравнение значимого спектра частот и форм собственных колебаний.

Другой пример использования сильных сторон ПК Лира-САПР и SIMULIA Abaqus: подпорные стены гидротехнического сооружения, в основании с трещиноватыми, слабыми скальными грунтами, а также необходимость расчёта на максимальные расчётные землетрясения. В данном случае, вычисление НДС производилось в SIMULIA Abaqus, ПК с поддержкой языков программирования Python, Fortran и C++, являющимся хорошим дополнением при разработке уникальных решений под конкретную задачу. Ключевые положения расчётного исследования:

  • использование специальных КЭ, рассеивающих энергию на границе модели;
  • оценка передаточной функции изменения сейсмического воздействия на границах Объекта;
  • моделирование движения козлового крана большой грузоподъёмности;
  • анализ НДС основания и буронабивных свай.

После вычисления НДС, возвращаемся к вопросу как быстро и эффективно подобрать армирование, выполнить иные проверки с учётом конструктивных требований, регламентирующих положений нормативно-правовых актов.

Решение – трансляция наиболее неблагоприятных откликов в ПК Лира-САПР. При этом достаточно было выделить определённый интересующий участок, а не перегонять всю модель целиком.

Данный пример снова подчёркивает эффективность и необходимость в таких случаях работать в единой среде CAE-комплексов, используя преимущества как специализированных, так и универсальных комплексов.

rem_03.jpg
Рисунок 3 – а). Анализ НДС и динамики подпорных стен уникального сооружения б). Трансляция в ПК Лира-САПР отклика в виде кинематических узловых нагрузок, изополя перемещений и усилий в фрагменте несущей конструкции в). Другие собирательные примеры: анализ НДС и прочности железобетонного узла, от нагрузок и воздействий, переданных из ПК Лира-САПР.

Представленная часть примеров показывают, как в сопряжении специализированные и универсальные комплексы, помогают нам эффективно, корректно решать любые задачи, которые могут встать перед специалистами и организациями. Разумеется, многое зависит от опыта и компетенций специалистов, но в настоящее время мы имеем все возможности, чтобы создавать новые и полезные инструменты, возможности, учиться и развивать себя (и других).

Рассказывая о новом и полезном, немного о проекте компании ООО «РЕМ Системс» (резидент Фонда «Сколково»). Разрабатываемый нами проект «REM» нацелен на решение ряда проблем, сопровождающиеся при принятии проектных решений на различных жизненных циклах Объекта.

Одна из них – малоэффективный период принятия принципиальных решений в проекте, связанный со многими взаимоувязанными факторами. На примере свайного поля: имеем большой Объект, имеем данные инженерно-геологических изысканий, СМР, ТЗ к проекту с описанием эксплуатационно-технологических параметров, данные заводов-изготовителей материалов и несущих конструкций, данные по логистике в регионе строительства. Все эти данные содержат такие параметры как время, стоимость, физико-механические свойства и т.д. Необходимо понять, какой вариант наиболее оптимальный, с учётом обеспечения механической безопасности Объекта и при минимальных издержках. Принять буронабивные, забивные или грунтоцементные сваи? Сколько их необходимо и в какой компоновке для выполнения требований по первой и второй группам предельных состояний? Какая будет стоимость и какие сроки для логистики и производства работ? Всё это вызывает вопросы и их решение зачастую затягиваются на месяцы, иногда больше года. Требуется комплексный подход.

Вторая проблема, с которой столкнулся недавно, это необходимость оценить количественные значения надёжности, уровня риска и срока эксплуатации в Объектах, использующих новые технологии и материалы. Натурные испытания, длительный и дорогостоящий процесс, а их для адекватной статистической обработки требуется большое количество. И в конце концов, третья особенность, характерная для эксплуатируемых Объектов – необходимость оценки количественного значения ресурса несущих конструкций и выбор эффективных мер по восстановлению требуемого уровня надёжности, которые зачастую субъективны в зависимости от эксперта. Все эти проблемы тесно пересекаются между собой.

rem_04.jpg
Рисунок 4 – Свидетельство участника ИЦ «Сколково» и свидетельство регистрации авторских прав на разрабатываемые блоки автоматизированной системы «REM»
Решение проблемы заключается в создании автоматизированной системы, работающей с CAE-комплексами. REM состоит из нескольких принципиальных блоков:
  1. 1. ГИС-система - обобщение данных предприятий-изготовителей несущих конструкций и материалов, данных метеостанций, учёт логистических факторов);
  2. 2. Блок оптимизации – многопараметрическая и топологическая оптимизация, вероятностная оценка, поддержка решений теории надёжности;
  3. 3. Платформа вычисления климатических нагрузок методом CFD (Computational Fluid Dynamics, в данном проекте при использовании OpenFOAM): определение ветрового давления, аэродинамических коэффициентов, снегоотложения на сложных покрытиях с учётом окружающей обстановки вокруг Объекта, гололёдные нагрузки, температурные воздействий. По факту – альтернатива натурным испытаниям, обладающими рядом недостатков.

На рисунке 5, представлено упрощённое представление работы системы и Объектами исследованными в РЕМ Системс. Хочу отметить, что при решении тестовой задачи взаимодействия жидкой среды и твёрдого тела FSI (Fluid–Structure Interaction) в рамках разработки REM, анализ требуемого армирования и трещиностойкости производились в ПК Лира-САПР. OpenFOAM позволяет автономно решать задачу FSI, а полученные соответствующие кинематические возбуждения в узлах модели передать «по месту требования».

rem_05.jpg
Рисунок 5 – Принципиальная схема решения проблем в рамках автоматизированной системы REM.

В данном материале, кратко представлены основные современные технологии, которые уже используют в передовых проектах и некоторые из них будут активно внедряться в строительную отрасль. Развивающиеся тренды в строительной отрасли являются мощными драйверами роста спроса проведения профессионального научно-технического сопровождения.

С одной стороны увеличение этажности, развитие подземного строительства, увеличение величины пролётов, грандиозные архитектурные замыслы, с другой — использование новых технологий, материалов, обеспечение оптимальных решений при проектировании без срыва сроков, после которых обычно в спешке специалисты начинают принимать опасные или экономически нерациональные решения, развитие нормативно-правовой базы – всё это требует работы на стыке проблем, в том числе и на стыках технологий которые нам предоставляют программные комплексы. И в этом смысле ПК Лира-САПР многократно показывал свою эффективность при решении ряда подобных задач, как автономно, так и во взаимной связке с более «тяжёлыми» комплексами численного моделирования.

Другие статьи
29.04.2016 Аналитическая модель лестниц в САПФИР-3D 2016
Конструкции лестниц являются существенной частью общей конструктивной схемы здания. В практике проектирования, зачастую, конструкции лестниц не включаются в расчетную схему и учитывается только нагрузка от них.
05.05.2016 Новые возможности и функции ПК ЛИРА САПР 2016
Открытый подход к технологии информационного моделирования, интеграция с программами STARK-ES и Tekla Structures, усовершенствован расчет, улучшена система документирования результатов расчета.
22.12.2017 Материалы докладов на семинарах «ПК семейства ЛИРА-САПР версии 2017 года»
В 2017 году в городах России и СНГ был проведен ряд мероприятий посвященных выпуску новой версии ПК ЛИРА-САПР. Предлагаем вашему вниманию материалы докладов.
15.05.2017 Новые возможности ПК ЛИРА-САПР 2017
Новые системы: "Панельные здания", "Армокаменные конструкции", "Сталежелезобетон", многоматреиальный конструктор сечений и многое другое
Мобильные приложения
Мобильные приложения
Мобильные приложения для инженеров. Интерфейс приложений адаптирован для удобного создания расчетных схем, вывода результатов расчета, создания индивидуальных формул и конвертации единиц измерения. &…