Расчет и проектирование строительных конструкций в программном комплексе SAP2000

Сергей Воронков
Ведущий инженер отдела строительных конструкций ООО «НИП-Информатика» (г.Санкт-Петербург)

Эффективность вложения инвестиций в современное программное обеспечение трудно переоценить, особенно сейчас, в век информационных технологий. «Кто быстрее — тот сильнее» — гласит один из законов современного мира, который распространяется на все сферы нашей жизни, в том числе и на расчеты строительных конструкций.
Удобство работы, высокая скорость решения, учет физической и геометрической нелинейности, двусторонняя связь с другими приложениями — вот требования, предъявляемые к современным программным комплексам для расчета строительных конструкций. Красивыми картинками уже никого не удивить. Инженеру нужен результат. Всеми этими качествами в полной мере обладает программный комплекс SAP2000 (Computers and Structures, Inc.).

SAP2000 — это универсальный интегрированный программный комплекс для расчета методом конечных элементов и проектирования строительных конструкций. SAP — аббревиатура от англ. «state­of­the­art», что в переводе означает «новейший, передовой». Первая версия программного комплекса увидела свет 39 лет назад, в 1975 году. С тех пор шло непрерывное его развитие, и на сегодняшний день SAP2000 — это передовой расчетный комплекс в мире.

Удобный, интуитивно понятный пользователю графический интерфейс, объектно­ориентированное моделирование, быстрое и мощное расчетное ядро SAPFire, позволяющее производить статичес­кие и динамические расчеты с учетом физической и геометрической нелинейности, широкие возможности проектирования конструкций и вывода результатов расчета, — это далеко не полный перечень преимуществ SAP2000. Множество уникальных зданий и сооружений были рассчитаны в этом расчетном комплексе. Шанхайский всемирный финансовый центр, «Башни Петронас», Пекинский национальный стадион Bird’s Nest, «Бэй Бридж» (мост между Сан­Франциско и Оклендом) давно стали визитными карточками SAP2000.

Возможности моделирования

Шаблоны моделей, удобные инструменты создания и редактирования модели, а также интуитивное управление делают процесс моделирования в SAP2000 быст­рым и комфортным. Моделирование объектно­ориентированное, а это означает, что пользователь оперирует такими элементами, как стержень, пластина, объемное тело, при этом разбивку на конечные элементы программа осуществляет самостоятельно. Существует несколько методов разбивки, в том числе и автоматическая. Кроме того, при несвязной сетке и включенной функции Объединение ребер программный комплекс автоматически соединяет ребра смежных элементов и считает конструкцию единым целым, даже при отсутствии общих узлов в элементах.

В SAP2000, кроме стандартных библиотек материалов и профилей, имеются встроенные конструктор сечений и редактор материалов. Конструктор сечений позволяет создавать сечения элементов любой формы из любых доступных материалов и включать их в модель. Редактор материалов служит для создания моделей материалов. Следует отметить, что материалы могут быть изотропные, ортотропные и анизотропные. Возможно задание зависимости деформационных свойств от температуры, диаграмм «напряжение — деформация» и других свойств.

Штаб-квартира Центрального телевидения Китая (CCTV Headquarters) и ее расчетная модель SAP2000

Библиотека элементов охватывает практически все типы, которые могут потребоваться современному инженеру. Стержни переменного сечения, предварительно напряженные, вантовые элементы, толстые и тонкие оболочки, многослойные нелинейные оболочки — вот далеко не полный перечень доступных типов. Для соединения элементов могут использоваться абсолютно жесткие и податливые линейные и нелинейные вставки. Кроме того, средствами SAP2000 можно смоделировать зазоры, зацепления, сейсмические изоляторы, пружины, демпферы, пластические шарниры и пр.

SAP2000 имеет множество шаб­лонов для автоматической генерации нагрузок на конструкцию, в том числе ветровых, волновых и сейсмических. К этому следует добавить нагрузки от заданного перемещения, статические и подвижные нагрузки, боковое давление грунта, температурные воздействия, загружение до заданного усилия и нагрузки от предварительного напряжения.

Пекинский национальный стадион Bird’s nest (Beijing National Stadium) и его расчетная модель SAP2000

Возможности расчета

SAP2000 предоставляет пользователю практически безграничные возможности для расчета конструкций, а многопоточное 64­битное расчетное ядро SAPFire обеспечивает высокую скорость расчета.

Результат экспорта модели из Tekla Structures в SAP2000

Доступны следующие виды линейных расчетов:

• статический линейный расчет;
• вычисление форм и частот собственных колебаний;
• расчет собственных частот по методу Ритца для неявно обусловленных задач;
• вычисление спектров отклика;
• линейный динамический модальный расчет с развитием во времени;
• линейный динамический расчет по методу прямого интегрирования с развитием во времени;
• расчет амплитудно­частотных характеристик;
• анализ спектральной плотности;
• расчет устойчивости (линейная постановка).

Нелинейные расчеты включают:

• учет только растяжения/сжатия в стержнях;
• учет податливости основания в нелинейной постановке;
• нелинейный статический расчет с учетом эффекта P­delta;
• нелинейный статический расчет с учетом больших перемещений (геометрическая нелинейность);
• расчет устойчивости (нелинейная постановка);
• рushover­анализ (расчет на предельную прочность1);
• расчет на прогрессирующее обрушение;
• расчет по методу Уилсона (Wilson FNA method);
• нелинейный расчет с развитием во времени;
• учет физической нелинейности материалов;
• расчет до достижения заданной геометрии;
• учет ползучести и усадки бетона;
• поэтапное возведение (с учетом меняющихся характеристик элементов);
• учет вторых потерь при преднапряжении;
• расчет на комбинации статических и динамических нагрузок.

Финский павильон Kirnu на выставке Shanghai World Expo 2010
и его расчетная модель SAP2000

Модели, построенные в SAP2000

Проектирование конструкций

После расчета пользователь SAP2000 имеет возможность проверить существующие сечения или подобрать новые. Проектирование стальных конструкций позволяет подобрать сечения элементов, а проектирование железобетонных — определить необходимую арматуру. Кроме того, существует возможность проектирования конструкций из алюминия и тонкостенных стальных конструкций по различным нормам.

Результаты расчета висячего моста в SAP2000

Вывод результатов

SAP2000 предоставляет пользователю множество опций для отображения результатов расчета: трехмерные исходные и деформированные схемы, анимация перемещений, эпюры усилий, поля напряжений, вывод детальных результатов расчета по нажатию правой кнопки мыши на элементе, графики виртуальной работы, интегрирование напряжений в любом сечении конструкции, трехмерные поверхности взаимодействия усилий и многое другое.

Результаты расчета можно сохранить в отчет, автоматически создаваемый SAP2000. Структура отчета может быть полностью перестроена по желанию пользователя, с добавлением необходимой графики, пользовательского текста и оформления. Анимацию перемещений, в том числе с развитием во времени, можно сохранить в отдельный видеофайл.

Поля армирования, полученные в результате проектирования конструкций градирни в SAP2000

Связь с другими приложениями и Open API

Благодаря открытому прикладному пользовательскому интерфейсу (Open API) SAP2000 может быть связан с другими программами. Любые данные и результаты SAP2000 могут быть экспортированы в другие приложения. Преду­смотрена также возможность импорта.

В настоящее время реализована двусторонняя связь с программными комплексами Tekla Structures и Autodesk Revit, разрабатывается интерфейс для совместного расчета с программным комплексом PLAXIS (геотехнические расчеты). При этом пользователю доступно создание собственных приложений с применением Open API. Кроме того, все данные о модели могут быть экспортированы в Microsoft Excel. После правки в Excel данные можно импортировать обратно в SAP2000.

Форматы импорта/экспорта

В SAP2000 доступны следующие форматы импорта/экспорта:

• Microsoft Access;
• Microsoft Excel;
• SAP2000 text file (.*s2k);
• Export to Perform­3D;
• CIS/2, STEP, IFC;
• Steel detailing neutral file (SDNF)4
• AutoCAD (.*dxf/.*dwg);
• Frameworks;
• IGES;
• Prosteel;
• прочие текстовые файлы расчетных приложений (только импорт).

Локализация

В настоящее время ведется процесс интеграции российских норм проектирования, баз данных сечений и материалов в SAP2000, а также перевод интерфейса и документации SAP2000 на русский язык. В ближайшее время планируется выпуск приложения для импорта данных из SAP2000 в программу «ОМ СНиП Железобетон» с целью подбора армирования в элементах в соответствии с российскими нормами. 

САПР и графика 2`2014