Проектирование вантовых конструкций в Autodesk Robot Structural Analysis Professional

Сергей Сыч
Продакт-менеджер отдела ПО, Consistent Software Distribution

Современные компьютерные средства проектирования позволяют инженерам расширить их представления о реальном поведении конструкций. Они дают возможность всесторонне оценить характеристики проектов, сравнить различные варианты конструктивных решений и принять оптимальный проект.

Висячие вантовые покрытия вдохновляют инженеров на протяжении многих лет. Однако вантовые системы всё еще довольно новый тип конструкций покрытий. До 1950­х годов стальные ванты использовались не для зданий, а прежде всего для большепролетных мостовых конструкций. Сегодня вантовые конструкции признаны инновационными конструктивными решениями, с помощью которых можно создавать впечатляющие геометрические формы и вместе с тем эффективно перекрывать большие пролеты, обеспечивая прозрачность и естественную легкость сооружений.

Основным несущим элементом в вантовых конструкциях является гибкая нить в виде ванта, троса, каната и т.д. Один из размеров гибкого элемента (длина) больше, чем два других, а жесткость поперечного сечения на изгиб и кручение мала по сравнению с жесткостью на растяжение.

Соотношение осевой жесткости и длины гибкого элемента таково, что гибкий элемент может работать только на растяжение и не воспринимает сжимающих нагрузок.

Важнейшим преимуществом вантовых конструкций является то, что их элементы имеют высокие допустимые растягивающие напряжения.

Ванты эластичны и при загружении работают нелинейно, причем в них присутствуют оба типа нелинейности: геометрическая и физическая.

Можно говорить о двух главных факторах, определяющих преимущества вантовых элементов конструкций:

1. Возможность создания начального натяжения, которое позволяет регулировать внутреннее усилие в элементе и делает его использование более эффективным.
2. Простая сборка и создание подвесных элементов и целых висячих конструкций возможны благодаря их малому весу.

Вантовые элементы эффективны при проектировании легких, экономичных и уникальных конструкций.

Интерес к вантовым покрытиям особенно усилился в связи с решением о проведении в Российской Федерации Чемпионата мира по футболу в 2018 году — ведь современные покрытия спортивных арен возводятся в основном с применением вантовых конструкций.

Вантовые покрытия выгодно отличаются от традиционных стальных конструкций. Среди их основных достоинств следующие:

• в растянутых элементах эффективно используется вся площадь сечения вант и применяются высокопрочные стали, что обеспечивает малую массу несущей конструкции;
• при монтаже покрытия не требуются леса и подмости, что упрощает его возведение;
• ванты или тонколистовые ленты сворачивают соответственно в бухты и рулоны, что обеспечивает легкую и удобную транспортировку покрытия;
• с увеличением перекрываемого пролета экономичность покрытия возрастает, так как масса несущей конструкции остается относительно небольшой;
• своеобразные конструктивные формы покрытия позволяют улучшать эстетическую выразительность сооружения;
• благодаря своей форме висячие покрытия создают в здании самые благоприятные условия для акустики, видимости и освещенности;
• вантовые покрытия являются самонесущими и способны стационарно располагаться в пространстве.

Сегодня технология вантовых конструкций активно развивается. Кроме того, сертификация по EN ISO 9001:2000 и другие сертификаты системы управления качеством предъявляют определенные требования, обеспечивающие стабильность и качество высоконапряженных и легких конструкций, элементов и деталей. А первый класс ответственности таких сооружений предусматривает особые требования к качеству их проектирования.

Теория вантовых элементов в Autodesk Robot Structural Analysis Professional основана на теории нитей с малыми значениями провисания. Согласно этой теории, жесткость ванты является неявной функцией следующих параметров: жесткости ванты на растяжение, натяжения ванты, перемещения точек крепления ванты, поперечных нагрузок в обоих направлениях. Из­за нелинейности вантового элемента при решении задачи используются итерационные методы расчета конструкций.

Функциональные возможности программного комплекса Autodesk Robot Structural Analysis Professional позволяют широко применять вантовые элементы как составную часть расчетных схем конструкций следующих типов: плоская рама, пространственная рама и оболочка. При этом возможны следующие типы расчета конструкций: линейный (в действительности это нелинейный расчет, но в нем нет других нелинейных эффектов, за исключением учета нелинейности вантового элемента) и нелинейный расчет (с учетом напряженно­деформированного состояния), деформированная схема (p­delta), расчеты устойчивости, динамический, колебаний, расчет на сейсмические воздействия.

Материал определяется как для стержневого элемента (единственная задаваемая величина — это модуль Юнга; в случае учета собственного веса дополнительно необходимо ввести удельный вес, а в случае расчета на температурное воздействие —  коэффициент температурного удлинения).

К вантовым элементам могут быть приложены следующие типы внешних воздействий (за исключением сосредоточенного и распределенного момента):

• постоянные нагрузки;
• узловые нагрузки;
• сосредоточенные усилия по длине элемента;
• распределенные нагрузки (равномерно или неравномерно);
• начальная деформация удлинения либо укорочения;
• температурное воздействие.

При назначении нового типа вантового элемента задается один из доступных начальных параметров (рис. 1):

• напряжение SIGMA — позволяет задать нормальное напряжение в ванте;
• усилие F0 — дает возможность задать параметр начального усилия в ванте;
• длина L — позволяет задать длину ненагруженной ванты;
• удлинение (или относительное удлинение) — это разница между длиной ненагруженного кабеля и расстоянием между соответствующими узлами. Если удлинение имеет положительное значение, то длина ванты больше, чем расстояние между узлами; если отрицательное — расстояние между узлами больше, чем длина ванты.

Программный продукт позволяет выполнить анализ начальной стадии конструкции, который рекомендуется использовать как первый вариант загружения.

Рис. 1

В процессе дальнейшего расчета на другие воздействия при рассмотрении равновесия конструкции принимаются во внимание усилия, возникающие в ее элементах на начальной стадии. Полученные на этой стадии перемещения используются как исходные для дальнейшего расчета. Силы предварительного натяжения изменяются. Это означает, что после монтажа ванта надежно закреплена. По результатам комплекса расчетов можно в полной мере оценить поведение конструкции в табличном и графическом виде.

Пользователи программного комплекса Autodesk Robot Structural Analysis Professional могут продемонстрировать много примеров успешной реализации проектов грандиозных спортивных сооружений. Здесь же хотелось бы упомянуть лишь о нескольких крупных проектах вантовых покрытий спортивных сооружений, рассчитанных с помощью программного комплекса Autodesk Robot Structural Analysis Professional.

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Стадион «Уэмбли» (рис. 2):

• висячее вантовое покрытие;
• год постройки — 2006;
• местонахождение — Лондон;
• вместимость — 90 тыс. мест.

Архитектор — Норман Фостер. Расчет конструкции выполнен компанией Sinclair Knight Merz.

Стадион «Стад де Франс» (рис. 3):

• висячее вантовое покрытие;
• год постройки — 1998;
• местонахождение — Париж;
• вместимость — 80 тыс. мест.

Расчет конструкции выполнен компанией INGÉROP.

Стадион «Спирос Луис» (рис. 4):

• висячее вантовое покрытие;
• год постройки — 2004;
• местонахождение — Афины;
• вместимость — 70 тыс. мест.

Архитектор — Сантьяго Калатрава. Расчет конструкции выполнен компанией Sinclair Knight Merz.

Стадион ФК «Ренн» (рис. 5):

• висячее вантовое покрытие;
• год постройки — 2004;
• местонахождение — г.Ренн (Франция);
• вместимость — 31 127 мест.

Расчет конструкции выполнен компанией Egis.

Рис. 5

Примеры этих инженерных сооружений демонстрируют возможности компьютерных программных средств проектирования в сочетании с передовыми инженерными и архитектурными идеями профессионалов. Autodesk Robot Structural Analysis Professional предоставляет инженерам передовые инструменты проектирования, которые проверены на множестве проектов, известных во всем мире.

САПР и графика 3`2013