1. Загальні положення про проектно-обчислювальний комплекс scad

SCAD— це система, яка базується на методі скінченних елементів і призначена для розрахунку напружено-деформованого стану (НДС), стійкості, визначення власних частот і форм коливань, аналізу теплових усталених і перехідних процесів, а також розв’язання задач статики та динаміки в лінійній або нелінійній постановці широкого класу будівельних, машинобудівних та інших конструкцій споруд. SCAD поєднує в собі потужні аналітичні можливості його процесора і простоту роботи з графічним інтерфейсом користувача середовища Windows.

SCAD — система нового покоління, яка розроблена інженерами для інженерів і реалізована колективом досвідчених програмістів [3] – [6]. Система постійно розвивається, удосконалюються інтерфейс користувача й обчислювальні можливості, включаються нові компоненти проектів.

Єдине графічне середовище синтезу розрахункової моделі й аналізу результатів її розрахунку забезпечує необмежені можливості моделювання різних конструкцій (від найпростіших до самих складних), задовольняючи потребам досвідчених професіоналів і залишаючись при цьому доступним для початківців.

При моделюванні конструкцій споруд за допомогою графічного препроцесора SCAD застосовуються [7]:

• розвинута бібліотека скінченних елементів для генерації повної скінченно-елементної моделі стержневих, пластинчатих, оболонкових, масивних і комбінованих конструкцій споруди на базі заданої геометрії;

• різноманітні графічні засоби формування і коригування геометрії розрахункових схем, опису фізико-механічних властивостей матеріалів, завдання умов опирання і примикання, а також навантажень;

• великий набір параметричних прототипів конструкцій, що включає рами, ферми, балкові ростверки, оболонки, поверхні обертання, аналітично задані поверхні;.

• різні можливості генерації скінченно-елементних сіток в препроцесорі системи: від формування сіток вручну (на основі вказаних опорних точок) до повністю автоматичної генерації довільної сітки скінченних елементів на площині - для складних частин геометричної моделі;

• можливість формування розрахункових моделей шляхом складання з різних схем;

• можливість роботи на сітці координаційних осей;

• розвинутий механізм роботи з групами вузлів і елементів;

• формування розрахункової моделі шляхом копіювання всієї схеми або її фрагментів;

• призначення користувачем самостійно або шляхом вибірки з відповідних бібліотек SCADу характеристик матеріалів і перерізів стержнів;

• можливість скористатися вбудованою в препроцесор SCAD довідковою системою (при виникненні потреби в будь-якої додаткової інформації або допомоги відносно системи SCAD);

• широкий вибір засобів візуального повного контролю всіх характеристик розрахункової моделі споруди на різних етапах її формування, який необхідний для уникнення можливих помилок перед проведенням розрахунків;

• можливість імпорту геометрії розрахункових схем із систем ArchiCAD, HyperSteel, AutoCAD.

Після закінчення процесу формування моделі за допомогою системи SCAD можна провести її скінченно-елементний аналіз, котрий побудований на алгоритмах, які забезпечують максимальну точність, швидкість і вірогідність розв’язку. Високопродуктивний процесор дозволяє розв’язувати задачі великої розмірності (сотні тисяч ступенів свободи) у лінійній і геометрично нелінійній постановці. У системі передбачене виконання розрахунків на різні види динамічних впливів, такі як сейсміка, пульсація вітрового навантаження, гармонійні коливання, імпульс, удар. Процесор має такі обчислювальні можливості:

• висока швидкість розрахунку;

• 65000 вузлів і 65000 елементів;

• 392000 ступенів свободи;

• розвинута бібліотека скінченних елементів;

• ефективні методи оптимізації матриці жорсткості.

Постпроцесор системи SCAD має потужні засоби візуалізації та інші інструменти для подальшої числової обробки результатів:

• результати розрахунку відображаються як у графічній, так і в табличній формах;

• у графічній формі результати розрахунку переміщень виводяться у вигляді деформованої схеми, колірної і цифрової індикації значень переміщень у вузлах, а також ізополів і ізоліній переміщень для пластинчатих і об'ємних елементів, виконується анімація форм коливань для динамічних навантажень і анімація процесу деформування для статичних завантажень;

• для стержневих елементів можуть бути отримані деформовані схеми з урахуванням прогинів, а також епюри прогинів для окремих елементів;

• зусилля в стержневих элементах представляются у вигляді епюр для всієї схеми чи для окремого елемента, а також колірною індикацією максимальних значень обраного силового фактора;

• зусилля і напруження в пластинчатих і об'ємних елементах виводяться у вигляді ізополів чи ізоліній у зазначеному діапазоні колірної шкали з можливістю одночасного відображення числових значень у центрах і в вузлах елементів;

• графічне представлення результатів роботи постпроцессора підбору арматури в елементах залізобетонних конструкцій у вигляді епюр для стержневих елементів і ізополів чи ізоліній розподілу арматури — для пластинчатих елементів;

• можливість локалізації результатів розрахунку в заданому діапазоні значень переміщень і силових факторів;

• результати розрахунку в табличній формі можуть експортуватися в редактор MS Word або в електронні таблиці MS Excel;

• табличне представлення результатів може бути доповнено графічними матеріалами, відібраними в процесі створення розрахункової схеми й аналізу результатів.

SCAD також поєднує модулі, які автоматизують ряд процесів проектування:

• обчислення зусиль і переміщень елементів моделі від комбінації навантажень;

• вибір невигідної комбінації навантажень;

• аналіз стійкості;

• формування розрахункових сполучень зусиль;

• перевіркa напруженого стану елементів конструкцій за різними теоріями міцності;

• визначення зусиль взаємодії фрагмента з іншою конструкцією;

• побудовa амплітудно-частотних характеристик;

• варіації моделей для сумісного аналізу декількох варіантів розрахункової схеми;

• підбір арматури в елементах залізобетонних конструкцій;

• перевірка і підбір перетинів елементів стальних конструкцій.

Підключення нових модулів такого типу і адаптація до спеціальних норм будівельного і машинобудівного проектування розширюють можливості SCAD в галузі автоматизації процесів проектування [8] – [10]:

КОНСТРУКТОР СЕЧЕНИЙ — програма формування і розрахунку геометричних характеристик складених перерізів із стальних прокатних профілів та листів;

КОНСУЛ — програма формування і розрахунку геометричних характеристик на основі теорії суцільних стержнів;

ТОНУС — програма формування і розрахунку геометричних характеристик на основі теорії тонкостінних стержнів;

СЕЗАМ — програма пошуку перерізу в вигляді коробки, двутавра або швелера, який найбільш близько апроксимує заданий довільний переріз за геометричними характеристиками;

ВЕСТ — програма визначенням навантажень і впливів навколишнього середовища на будівельні конструкції відповідно до рекомендацій СНиП 2.01.07-85* “Нагрузки и воздействия”;

КРОСС — програма визначення коефіцієнтів постелі для розрахунку фундаментних конструкцій на пружній вінклерівській основі за допомогою моделювання роботи багатошарового ґрунтового масиву;

KOMETA — програма розрахунку і проектування вузлів стальних конструкцій будівель і споруд в промисловому та цивільному будівництві;

КРИСТАЛ — програма перевірки елементів і з’єднань стальних конструкцій на відповідність нормам проектування;

АРБАТ — програма підбору і перевірки арматури в елементах залізобетонних конструкцій (в нерозрізних балках і в колонах), а також визначення прогинів в залізобетонних балках згідно з відповідними нормами;

МОНОЛИТ — програма проектування залізобетонних монолітних ребристих перекрить;

ФОРУМ — програма формування розрахункових моделей з укрупнених функціональних складових частин реальної споруди, таких як колони, балки, стіни, перекриття, дахи і тощо (можливий імпорт моделі із системи ArchiCAD).

Підготовка пояснювальної записки — невід’ємна частина проведення будь-яких розрахунків. Інтерфейс користувача Windows значно полегшує процес виконання цієї задачі та підвищує якість одержуваних документів. SCAD використовує даний інтерфейс та дозволяє прямо здійснювати високоякісну видачу на принтер як текстових, так і графічних даних, що пов’язані з моделлю та результатами розрахунку. Досить часто виникає також необхідність включення графічних або текстових даних до пояснювальної записки. Цей процес у випадку використання інтерфейсу Windows також спрощується, оскільки SCAD дозволяє передавати будь-які типи даних до багатьох видавницьких систем, текстових процесорів, електронних таблиць, баз даних, графічних редакторів та ін. Таким чином, можливі повністю комп’ютеризовані підготовка та випуск розрахунково-графічної роботи.

В даних методичних вказівках назви програм, команд, пунктів меню, операцій і тощо приводяться російською мовою, яка використовується в системі SCAD.