Построение, расчет и анализ моделей с большим количеством степеней свободы
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений При расчете многоэтажных жилых и общественных зданий встречаются многочисленные трудности, связанные с выбором адекватных расчетных моделей, обеспечением необходимой точности расчетов, моделированием условий опирания и примыкания, учетом характера работы грунтовых оснований и т. п. Кроме того, расчеты могут преследовать разные цели, например, сбор нагрузок на фундаменты или подбор арматуры в перекрытиях. При этом они выполняются не только для разных значений расчетных нагрузок, но и на разных моделях. В докладе обобщается опыт, накопленный разработчиками программы, а также ее пользователями при расчете больших по размерности моделей многоэтажных зданий и сооружений.
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений 1. Как формируется исходная модель А. Использование 3 D архитектурной модели в качестве исходной Расчетная модель Архитектурная модель ALLPLAN, REVIT, Archi. CAD
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений А. Использование 3 D архитектурной модели в качестве исходной Основные проблемы: Не соответствие архитектурной модели конструктивному решению, например, пропущены несущие элементы. Использование элементов типа стена, перекрытие, колонна, балка для отображения элементов декора, перил, ступеней лестниц, ограждений и т. п. ). Отсутствие или некорректное примыкание элементов несущих конструкций, например, стены не стыкуются с перекрытиями или стены не примыкают одна к другой. Почти всегда требуются серьезные корректировки импортированной модели.
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений А. Использование 3 D архитектурной модели в качестве исходной Скрытое на архитектурной модели пересечение контуров стен не позволило выполнить автоматическое построение сетки КЭ
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений B. Использование 2 D чертежа в качестве исходной модели Объектная (укрупненная) модель в программе ФОРУМ Конечноэлементная модель в препроцессоре SCAD Архитектурный план в Auto. CAD В качестве исходного материала для построения модели можно использовать универсальные графические редакторы, например, Auto. CAD
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений B. Использование 2 D чертежа в качестве исходной модели Последовательное наращивание модели, подоснова которой получена из Auto. CAD
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений B. Использование 2 D чертежа в качестве исходной модели Конечноэлементная модель Объектная модель
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений B. Использование 2 D чертежа в качестве исходной модели
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений B. Использование 2 D чертежа в качестве исходной модели Основные проблемы: Большой объем работ по удалению из исходного чертежа элементов оформления, основной надписи, размеров, выносок, перегородок, ограждающих конструкций и т. п. , а также преобразования архитектурных планов в «проволочные» на основе центральных осей стен. Сложность формирования пространственной системы на основе 2 D подосновы. Необходимость задания жесткостных характеристик (материалов, сечений и т. п. ) для всех элементов модели.
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений 2. Контроль модели А. Параметрический контроль Независимо от способа подготовки модели ее необходимо проконтролировать по многим параметрам. К ним относятся: n n n Геометрия (соответствие основных размеров, отсутствие совпадающих узлов и элементов, отсутствие разрывов в конечноэлементной сетке и т. п. ); Качество сетки конечных элементов (отсутствие вырожденных КЭ, неплоских четырехузловых КЭ, контроль направления местных осей и осей выдачи усилий); Жесткости (форма и размеры сечений КЭ); Условия примыкания (корректность задания шарниров и ползунов, размер и положение жестких вставок); Условия опирания (наличие связей и их направления, значения коэффициентов постели, величины жесткостей и направления упругих связей и связей конечной жесткости); Нагрузки (вид, направление и величина нагрузки, полнота набора загружений, корректность описания загружений и взаимосвязей между ними в блоке РСУ и т. п. ).
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Б. Динамический контроль Определение собственных форм и частот рассчитываемого сооружения является одним из важнейших этапов контроля. Он позволяет: n n n Оценить жесткость конструкции путем анализа периодов колебаний; Выявить недостаточность или чрезмерность закреплений системы путем анализа форм колебаний (особенно важно при включении в модель искусственных связей); Оценить опасность динамических воздействий (ветровых, сейсмически, технологических и др. ), например, для высотных сооружений с большим периодом колебаний (порядка нескольких секунд) опасным может оказаться динамическое действие ветра.
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений В. Контроль с использованием характеристических загружений Характеристические загружения – это такие загружения, которые вызывают заранее ожидаемую реакцию системы. 1. Симметричное загружение симметричной системы должно давать симметричный результат; 2. Оценка перемещений, полученных от воздействия контрольного загружения (например, 2 - 2. 5 «собственного веса» приблизительно соответствуют полной нагрузке на жилые здания из монолитного ж/б);
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Г. Контроль результатов расчета Анализ причин геометрической изменяемости: n изменяемость присущая схеме: некорректно описаны условия примыкания и опирания; недостаточная точность решения системы уравнений. n изменяемость, приобретенная под нагрузкой в результате нелинейного расчета; Анализ работы внешних сил; Процент выбранных масс при сейсмических воздействиях; Значения ускорений при анализе динамической составляющей ветровой нагрузки; Контроль точности решения (тест Горбовца); Значения реакций при расчете фрагментов, выделенных из полной модели; Контроль устойчивости через энергетический постпроцессор.
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений 3. Сходимость, точность, проблема малоразмерных КЭ
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений 3. Сходимость, точность, проблема малоразмерных КЭ Единственный способ убедиться в достаточной точности конечноэлементного разбиения и приемлемости полученного решения – это сопоставление результатов, найденных на сетках различной густоты. Перемещения по Z (mm) 7. 64 8. 03 5. 1% 8. 21 2. 2% 7. 2%
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений 3. Сходимость, точность, проблема малоразмерных КЭ Mx (TM/M) 2. 7 2. 85 5. 5% 2. 89 1. 4% 7. 0%
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений 3. Сходимость, точность, проблема малоразмерных КЭ Следует контролировать сгущение сетки в местах концентрации напряжений, например, узлах примыкания колонн к перекрытиям. В данном случае, при уменьшении размеров конечных элементов, значения моментов и поперечных сил будут стремиться к бесконечности. Mx (TM/M) 8. 0 14. 4 80% 23. 4 62. 5% 192. 5%
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений 3. Сходимость, точность, проблема малоразмерных КЭ При решении больших задач рационально создавать модели с разными сетками КЭ В этих моделях анализировались перекрытия
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений 3. Сходимость, точность, проблема малоразмерных КЭ Эта модель создавалась для сбора нагрузок на фундамент на ранней стадии проектирования Более подробная модель стадии «Проект»
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений 3. Сходимость, точность, проблема малоразмерных КЭ При решении больших задач рационально создавать модели с разными сетками КЭ Попытка решить все проблемы на одной модели Здесь выполнялся детальный анализ стен
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений 4. Использование жестких тел Стык колонны и перекрытия.
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Стык колонны и перекрытия.
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Использование жестких тел Бесконечно жесткие вставки на концах стержней являются хорошо известным приемом при решении задач расчета конструкций, у которых узел по сути не может моделироваться точкой. Жесткая вставка Однако часто возникают более сложные проблемы, когда невозможно обойтись только бесконечно жесткими вставками у стержневых элементов. ?
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Использование жестких тел Моделирование балки в месте перепада высот с помощью абсолютно жестких тел Эпюра Mкр
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Использование жестких тел Нет изгибе плиты В этой задаче потребовалось моделировать не только эксцентриситет ребра по отношению к плите, но и отсутствие изгиба плиты в области, занятой балкой
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Использование жестких тел Моделирование плит перекрытий в разных уровнях
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений 5. Вариации моделей Режим предусматривает обработку результатов расчета нескольких близких вариантов расчетной схемы. Близость вариантов подразумевает топологическое подобие, одинаковое количество узлов и элементов и допускают только вполне определенные различия: • возможно использование элементов «пустого» типа, которые имитируют отсутствие элементов, не меняя их общее количество; • возможно изменение жесткостных параметров конечных элементов, включая и использование нулевых значений; • возможны различия в системе наложенных связей и/или в задаваемых условиях примыкания элементов к узлам (врезка шарниров, установка бесконечно жестких вставок).
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Вариации моделей Результаты расчетов всех вариантов расчетной модели используются для формирования расчетных сочетаний усилий (РСУ), комбинаций загружений (РСН), а также при подборе арматуры в элементах железобетонных конструкций или подборе сечений стальных конструкций. Выбор выполняется не только по наихудшей комбинации нагрузок, но и по наихудшему варианту расчетной схемы. Характерным примером использования режима вариации моделей является расчет по двум моделям, в первой из которых учтены особенности поведения основания под действием длительных и постоянных нагрузок (коэффициенты упругого основания назначались исходя из деформационных характеристик грунта, а во второй – особенности поведения грунта под действием динамических и кратковременных нагрузок (коэффициенты назначались исходя из упругих характеристик грунта).
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Вариации моделей Расчетная схема Загружения: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Постоянная нагрузка* Полезная (длительная нагрузка)* Снег Ветер X Ветер Y Сейсмика X Сейсмика Y Сейсмика Z Сейсмика 450 * Нагрузки принимаются по первой модели
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Вариации моделей Результаты расчетов
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Вариации моделей Результаты расчетов
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Вариации моделей Результаты расчетов
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений 6. Прогрессирующее обрушение Рекомендации МНИИТЭП и НИИЖБ, введенные в действие в 2005 г. 1. Обеспечение устойчивости к прогрессирующему обрушению в случае локального разрушения отдельных конструкций при аварийных воздействиях (взрыв бытового газа, пожар и т. п. ). 2. Обеспечение прочности и устойчивости, как минимум на время, необходимое для эвакуации людей ( при этом перемещения конструкций и раскрытие трещин не ограничивается). 3. Устойчивость к прогрессирующему обрушению проверяется расчетом на особое сочетание нагрузок и воздействий, включающее постоянные и временные длительные нагрузки (коэффициенты надежности = 1). 4. 4. Расчетные характеристики материалов повышают за счет специальных коэффициентов надежности. Расчетные сопротивления умножают на коэффициенты условий работы, учитывающие малую вероятность аварийных воздействий и рост прочности бетона после возведения здания, а также возможность работы арматуры за пределом текучести.
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Прогрессирующее обрушение ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОДХОДА 1. Предполагается неформальное задание условий протекания быстрых процессов разрушения и падения обломков: - задание коэффициента динамичности для определения реакций от удаляемых конструкций; - указание места, куда следует передать нагрузку от разрушившихся конструкций с заданием соответствующего коэффициента динамичности 2. Дается возможность задать оценку интервала неопределенности для прочностных проверок по нормам. 3. Результаты выдаются в «семафорной форме: - в красный цвет окрашивается часть системы, где могут появиться новые разрушения; - в зеленый цвет окрашивается часть системы, где не будет новых разрушений; - в желтый цвет окрашиваются элементы из интервала неопределенности.
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Прогрессирующее обрушение Первый этап включает следующие действия : - статический и динамический (если это необходимо) расчеты с целью определения НДС конструкции в нормальных условиях эксплуатации; - определение расчетных сочетаний усилий (РСУ); - подбор арматуры в элементах железобетонных конструкций с учетом первого и второго (трещиностойкость) предельных состояний; - проверка и подбор прокатных сечений элементов стальных конструкций.
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Прогрессирующее обрушение Второй этап включает следующие действия : - список конечных элементов, входящих во внезапно удаляемый фрагмент конструкции; - проверочную комбинацию загружений, в которую входят постоянные нагрузки и длительная часть временных нагрузок с коэффициентом 1; - группу нагрузок, определяющую вес обрушившихся конструкций; - коэффициент перегрузки (динамичности) — Kf для корректировки реакции системы при внезапном удалении элемента конструкции; - коэффициенты перегрузки — Kg для корректировки реакции системы на обрушение вышедших из строя конструкций (по умолчанию принимается Kg = Kf = 2); - значение интервала неопределенности; - уточненные значения площади арматуры с учетом минимального армирования и перехода от теоретической к дискретной арматуре.
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Прогрессирующее обрушение Результаты расчета
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Прогрессирующее обрушение Результаты расчета: Линейный Нелинейный
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений 7. Работа с фрагментами 5000 т 2800 т Нагрузки от фрагмента схемы
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Работа с фрагментами Перемещения Касательные напряжения Нормальные напряжения
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений 8. Роль слабых сейсмических воздействий Нормы проектирования предлагают выполнять расчеты на сейсмические воздействия только в тех случаях, когда сооружение находится на территории с сейсмичностью не менее 7 баллов. Эта рекомендация основана на опыте поведения относительно низкоэтажных зданий при землетрясениях и взывает определенные сомнения. Для проверки были выполнены сейсмические расчеты одного реального здания построенного в Киеве, естественно, без всяких антисейсмических мероприятий и без соблюдения рекомендаций СНи. П «Строительство в сейсмических районах» . Результаты представлены далее.
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Роль слабых сейсмических воздействий Для анализа были выбраны три характерных элемента. Плита покрытия Колонна нижнего этажа Фрагмент несущей стены
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Роль слабых сейсмических воздействий Исходные данные для расчета на сейсмику: Расчетное землетрясение – 6 баллов. Грунты III категории Коэффициент редукции – 0. 6 (допускаются повреждения — принят на основании сейсмических норм Украины) Направление сейсмического воздействия вдоль оси ОХ Элемент Приведенные напряжения по второй (энергетической) теории прочности (т/м 2) от: сейсмического воздействия постоянных нагрузок ветровой нагрузки Покрытие 3540 2491 390 Несущая стена 808 715 177 Колонна 776 637 167
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Роль слабых сейсмических воздействий Во всех контрольных фрагментах уровень напряжений от сейсмики превосходит уровень напряжений от постоянной и временной длительной нагрузок (собственный вес плюс эксплуатационная нагрузка). Для сравнения приведены напряжения от ветровой нагрузки. Для высоких зданий мы рекомендуем проверку на сейсмику даже для районов с пяти- и шестибалльной сейсмикой.
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений 9. Ускорение расчета Многопроцессорная обработка Количество процессоров 1 2 4 960 000 неизвестных ANSYS 11. 0 221 176 159 SCAD 11. 3 226 152 121 Ускоренные вычисления для однопроцессорных ПК Версия 11. 1 Разложение матрицы Фронтальная факторизация Подстановки Общее время счета 10 м 46 с 6 м 43 с 0 м 55 с 18 м 24 с Версия 11. 3 5 м 20 с 3 м 48 с 1 м 3 с 10 м 11 с
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений 9. Армирование Результаты подбора арматуры в плоскостных конечных элементах могут отображаться в виде цветовых полей, показывающих теоретическое армирование (площадь арматуры на 1 м), дискретное армирование при заданном шаге арматуры) и дополнительное армирование к заданной «конструктивной» арматуре
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений 10. Армирование Дополнительное армирование можно показать как в виде набора стержней, заданного диаметра или шага, так и в виде площади арматуры на 1 м
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Армирование В режиме «Информация об элементе» предусмотрен вывод схем размещения арматуры в сечениях стержневых элементов. Следует помнить, что представленная схема дискретного армирования является одной из многих, для которой выполняются нормативные проверки.
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Армирование В этом же режиме предусмотрено получение информации о расчетных сочетаниях усилий в сечениях анализируемого элемента, которую можно сохранить в отдельном файле и передать в программу АРБАТ.
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Армирование Файл со значениями расчетных сочетаний используется в режиме «Сопротивление сечений» программы АРБАТ для более детальной проработки и принятия окончательного решения о размещении арматуры в сечении
Построение, расчет и анализ моделей зданий и сооружений Спасибо за внимание НП ООО «SCAD Soft» Тел. (044) 249 71 91 (93) e-mail: scad@scadsoft. com http: //www. scadsoft. com
Скачать презентацию Построение расчет и анализ моделей с большим количеством
25559d0eecb18db8c7f3557bfea47052.ppt