1.3.1 Возможности динамических методов при оценке сейсмостойкости
Как отмечалось ранее, спектральная методика оценки сейсмостойкости сооружений является основной в нормах большинства стран. Эта методика базируется на опыте прошлых землетрясений и обеспечивает необходимую сейсмостойкость сооружений путем использования при расчете эмпирической системы расчетных коэффициентов. Это позволяет по разному трактовать не только результаты, но и исходные посылки нормативной методики.
Динамические расчеты в полной постановке в основном выполняются лишь при анализе сейсмостойкости наиболее ответственных объектов: больших плотин, АЭС, взрывоопасных производств и т. п.
Для других сооружений применение динамических расчетов носит вспомогательный характер. Во всех случаях применения динамических методов расчета их результаты должны рассматриваться совместно с результатами нормативных расчетов (если такие возможны) и материалами экспериментальных исследований.
Обычно динамические расчеты применяются в исследованиях сейсмостойкости существенно нелинейных систем, например, сооружений на сейсмоизолированных фундаментах и при анализе работы конструкций за пределами упругости.
Для современного этапа развития теории сейсмостойкости характерна общая тенденция уточнения постановки расчетной задачи. Это предусматривает более полное и подробное описание сейсмического воздействия и требует привлечения более строгих методов расчета.
Весьма перспективной является теория сейсмического риска. В основу этой теории положена концепция о том, что любая конструкция в процессе эксплуатации неизбежно подвергается риску, и если этот риск слишком велик, конструкция может быть разрушена. Понятие “риск” позволяет оценить возможное отклонение от цели, ради которой принято данное решение. Применение этой теории может привести к экономии за счет обоснованного снижения расходов на антисейсмические мероприятия.
Актуальным является разработка методов расчета зданий и сооружений с учетом упругопластических свойств материала, что важно для оценки действительной несущей способности пространственных конструкций при сейсмических воздействиях.
1.4 Современные программные комплексы
В настоящее время существует более сотни программных комплексов, в той или иной степени ориентированных на расчет конструкций. Всех их объединяет реализация МКЭ в перемещениях.
Компьютерное моделирование прочности и динамики строительных конструкций основано на методе конечных элементов (МКЭ), реализованном в программных комплексах. В отличие от машиностроения, энергетики и аэрокосмической промышленности, где широко распространены так называемые тяжелые универсальные зарубежные пакеты (ABAQUS, ANSYS, NASTRAN, COSMOS), в промышленном, гражданском и транспортном строительстве расчеты, как правило, проводятся специализированными пакетами («Лира», MicroFE (Stark ES) и др.), разрабатываемыми в странах СНГ.
Несомненными достоинствами этих пакетов являются широкая практика применения, наличие сертификатов Госстроя, подтверждающих учет методик СНиП. Возможностей данных пакетов достаточно для решения типовых практических задач, применяемые в них алгоритмы прошли испытание временем.
Упомянутые пакеты примерно идентичны по своим возможностям. Сравнение их — дело сложное и неблагодарное, и определяющим фактором здесь нередко выступали вкусы или привычки пользователей либо специфика решаемых задач.
В то же время широкое распространение нетипового строительства и точечной застройки, повышение высотности зданий и строительство ряда большепролетных сооружений уникальной архитектуры привело к усложнению решаемых задач. Появилась необходимость учета следующих моментов, не получивших должного разрешения в специализированных пакетах:
большие размеры моделей (от 100 тыс. узлов) и необходимость поддержки многопроцессорных расчетов;
трудоемкость подготовки моделей и совершенствование алгоритмов автоматической генерации сеток;
геометрическая нелинейность поведения большепролетных сооружений;
учет физической нелинейности поведения железобетона (пластичность, ползучесть и т.д.);
необходимость совместного учета грунта и конструкции в нелинейной постановке;
сложный характер ветрового нагружения и его большая динамическая составляющая;
необходимость анализа нештатных ситуаций в высоконелинейной динамической постановке с учетом разрушения;
необходимость решения нетиповых задач теплообмена и вентиляции;
оптимизация проектных параметров нетиповых конструкций.
1.4.1 ANSYS
Одним из популярных пакетов, используемых для расчета строительных конструкций и не только, является ANSYS.
Встроенный в ANSYS язык программирования APDL (напоминающий фортран) позволяет строить модели параметрически, создавать собственные типовые модели-примитивы, включать пользовательские алгоритмы. Поддерживаются параметры, массивы, запрос информации из баз данных, ввод-вывод в текстовые файлы, циклы, условные переходы, встроенные математические функции, макросы, шифрование и многое другое. Особенно эффективен он при обработке и анализе результатов. Рядом пользователей реализованы даже методики СНиП.
ANSYS/CivilFEM разработан как дополнительный модуль ANSYS. Комбинация обеих программ (пакет ANSYS+CivilFEM) дает возможность инженерам-строителям производить расчеты на высоком научном уровне, с применением мощнейших современнейших вычислительных технологий, а также позволяет выполнять сейсмические расчеты, расчет нелинейной потери продольной устойчивости, проверку и проектирование железобетонных и металлических профилей и т.д., наглядно снижая время, необходимое для проектирования и расчетов, в той же мере, как и увеличивая качество проектов и эффективность новых строительных методик.
При расчете на сейсмические воздействия в ANSYS можно использовать как линейно-спектральный анализ, так и анализ переходных процессов.
При линейно-спектральном подходе используется исходное сейсмическое воздействие, за данное в виде спектра (зависимость ускорения от частоты) и включающее:
вычисление фактора участия каждой собственной частоты конструкции по результатам модального анализа;
нахождение максимальных ускорений для каждой формы собственных колебаний из за данного спектра отклика;
масштабирование перемещений, полученных из модального анализа, до физических форм, основанных на ускорении, факторе участия и круговых частотах;
сложение полученных результатов по принципу суперпозиции в окончательный результат.
Главным преимуществом линейно-спектральной теории является то, что лежащий в основе расчета спектр отклика может быть получен путем наложения и/или вероятностной обработки спектров, соответствующих многим реальным записям сейсмических колебаний грунта.
Таким образом, данный метод позволяет учесть опыт прошлых землетрясений, и чем больше их было рассмотрено при построении спектра, тем меньше вероятность того, что при новом землетрясении нагрузки на сооружение превысят ожидаемые. По мере получения новых данных спектр может дополнительно уточняться.
Линейно-спектральный анализ — это поиск вклада каждой формы собственных колебаний в результирующее возмущение от входного спектра отклика, поэтому для такого типа анализа предварительно требуется провести модальный анализ. Безусловным плюсом программного комплекса ANSYS является возможность проводить модальный анализ преднапряженных конструкций даже в нелинейной постановке.
При анализе переходных процессов для адекватного моделирования сейсмического воз действия используются кинематические нагрузки (зависимость перемещений от времени).
В отличие от линейно-спектральной теории при анализе переходных процессов возможен учет физической (нелинейная упругость, пластичность материалов и т.д.), геометрической (если в процессе движения системы ее характеристики из меняются вследствие больших перемещений) и контактной не линейности (изменяющийся статус контакта), что является существенным фактором в некоторых расчетах, например конструкций с вантовым покрытием или при учете взаимодействия конструкции с полуупругим основанием. Помимо этого при расчете конструкции во временной постановке решается так называемое уравнение Ньюмарка, то есть используется прямое пошаговое интегрирование уравнения движения по времени. На практике это означает, что инерционные силы в конструкции, вычисленные на предшествующем шаге, влияют на решение следующего. Несмотря на значительную ресурсоемкость таких расчетов, их выполнение позволяет более адекватно оценить работу несущих конструкций при сейсмических воздействиях.
Подводя итог, можно сказать, что программный комплекс ANSYS имеет в своем составе набор инструментов для решения широкого круга задач сейсмики независимо от характера исходных данных, требуемой точности решения и сложности расчетной схемы. Это дает пользователю возможность сознательно выбирать подход к решению той или иной задачи сейсмики.
1.4.2 MicroFE
Следующим по порядку, но не по значению рассмотрим ПК MicroFE&STARK-ES.
Эта программа как нельзя лучше подходит для выполнения прочностного расчета несущих конструкций зданий и сооружений, а также для оценки устойчивости и собственных колебаний.
В первую очередь, функцией MicroFE является расчет строительных конструкций при помощи метода конечных элементов. В него входят:
нелинейный и линейный статический расчет,
расчет строительных конструкций на устойчивость,
расчет на собственные колебания,
предельный жестко-пластический анализ,
спектральный анализ матрицы жесткости,
применение метода подконструкций для больших систем.
Рис.3 – Пример работы в ПК MicroFE.
Быстродействующие алгоритмы для решения и составления систем уравнений Stark ES обеспечивают быструю работу и точные расчеты. Программа самостоятельно производит оценку точности расчета, в соответствии с заданными параметрами.
В список функций Stark ES также входит:
проверка прочности и расчет армирования элементов конструкций с учетом требований по трещинообразованию и трещиностойкости,
проверка прочности и устойчивости трубожелезобетонных элементов с заданны армированием,
возможность подбора сечений по напряжениям для прокатных элементов,
оценка прочности пластинчатых и стержневых элементов при динамических и статических воздействиях.
Оценка прочности при динамических и статических воздействиях производится на основе акселерограмм сейсмического движения грунта по п. 2.2,б СНиП II-7-81.
Одно из главных достоинств MicroFE это расчет строительных конструкций на сейсмические воздействия. Программа производит расчет в соответствии со СНиП II-7-81*[1], КМК 2.01.03-96 и «Рекомендациями по определению расчетной сейсмической нагрузки для сооружений с учетом пространственного характера воздействия и работы конструкций» ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко.
Определение сейсмических нагрузок производится при помощи линейно-спектрального метода для произвольного направления сейсмического воздействия и произвольного спектра ответа. В расчете учитываются геометрическая и конструктивная нелинейности и взаимные перемещения опор пространственных и линейно-протяженных сооружений. Также, MicroFE определяет опасные направления динамических воздействий.
MicroFE предлагает следующие возможности моделирования:
используя библиотеку шаблонов ферм, рам, поверхностей заданных аналитически и поверхностей вращения;
высокоточные ортотропные и изотропные объемные и пластинчатые конечные элементы);
элементы для расчета толстых и тонких плит;
упругие и идеальные шарниры для стержневых и пластинчатых элементов;
упруго-податливые и жесткие опоры в произвольной системе координат, заданной пользователем;
обозначение осей растра как архитектурных осей здания, нанесение размерных линий между осями;
автоматическая генерация конечноэлементных моделей многоэтажных зданий;
при расчете железобетонных плит и стен учет физической нелинейности;
стержневые конечные элементы для пространственных и плоских задач, с учетом поперечного сдвига, а также специальные элементы для моделирования канатов и ребер жесткости;
определение расстояний между двумя произвольными точками;
одно- и двухпараметрические упругие основания;
формирование и расчет характеристик произвольных тонкостенных сечений;
Программа позволяет пофрагментно выполнить расчет строительных конструкций, а также учесть изменение расчетной схемы в процессе нагружения.
При этом учитываются:
отклонение осей стержневых элементов;
свойства конструкций и грунтов при динамических и статических воздействиях;
реальные условия работы конструкций в сопряжениях;
нагрузки предварительного напряжения и температурные воздействия;
геометрическая и конструктивная нелинейность в задачах статики, динамики и устойчивости.