АО «ИТП» (Институт технологий преднапряжения, Москва) — проектная организация, которая занимается разработкой проектной, нормативной и технологической документации, а также оказывает услуги по техническому сопровождению, строительным лабораторным испытаниям и консультационные услуги компаниям, специализирующимся на строительстве объектов с применением систем предварительного напряжения конструкций.
Потребность в программном обеспечении для расчета предварительно напряженных конструкций зданий и мостов была связана с выделением группой компаний СТС в 2017 году отдельной бизнес-единицы — Института технологий преднапряжения. Организация начала искать программное обеспечение, которое позволяло бы не только эффективно решать задачи расчета, но и было максимально универсальным.
С простыми задачами к нам не обращаются
Выбор решения для МКЭ-анализа конструкций был непростым. Компания планировала разрабатывать разнообразные проекты конструкций. Самые распространенные сооружения, для которых требуются расчеты преднапряжения, — это мосты. Они линейные, характеризуются большой длиной пролетов, а их поперечные размеры гораздо меньше длины. Но в компании понимали, что мостовые проекты не будут составлять 90% заказов.
Второе направление — это плоскостные конструкции и сооружения, то есть перекрытия офисных зданий, торгово-развлекательных комплексов, отелей и т.п. «Они характеризуются тем, что их необходимо рассчитывать не в стержневой расчетной схеме — требуется применять плоскостные элементы. При этом архитекторы обычно не стесняются: форма плиты в плане может быть совершенно произвольной, и распространены не только прямолинейные, но и выпуклые, скругленные конструкции, с углами. Полет фантазии архитекторов ничем не ограничен», — объясняет главный инженер проектов Института технологий преднапряжения Ренат Тулумбаев.
При этом часть программ, которые можно было использовать для расчета мостов, либо в принципе не позволяли рассчитывать преднапряжение в случае со зданиями, либо с их помощью было очень неудобно моделировать конструкции таких объектов.
Также имелась перспектива работы по таким объектам, как резервуары для сжиженного природного газа или защитные оболочки атомных станций. Форма подобных резервуаров конструктивно сложная. Это сооружение диаметром 60 м и высотой 40 м. И арматура с предварительным напряжением располагается не просто по периметру — она еще и отгибается в вертикальной плоскости. Так что в этом случае расчеты нужно вести с учетом пространственного размещения напрягаемой арматуры: здесь не подходит ни линейная схема, где в основе стержневые элементы, ни плоскостная расчетная схема, которая используется для перекрытий в здании, — необходимо работать в 3D.
«Выстраивая стратегию развития, мы искали программный комплекс МКЭ-анализа, который хорошо рассчитывает и мосты, и здания, и любые пространственные конструкции с преднапряжением. Вишенкой на торте были вантовые системы — СТС планировала заниматься и ими. Все это означало необходимость выполнять большое количество расчетов конструкций — в том числе для сопровождения самой технологии выполнения строительных работ. Так что требования к программному комплексу у нас были весьма серьезными», — комментирует директор по проектированию Института технологий преднапряжения Максим Марченко.
Выбор расчетного комплекса и адаптация
Процесс поиска решения тоже оказался нетривиальным: специалисты проанализировали все присутствовавшие на рынке программные пакеты и сравнили их преимущества и недостатки. Для работы с плоскостными и пространственными сооружениями можно было выбрать несколько программных пакетов, но в большинстве своем это были МКЭ-программы общего применения, распространенные в сфере машиностроения, а не адаптированные для задач строительства. Ряд комплексов был отсеян из-за отсутствия удобного внутреннего языка программирования.
В результате выбор был сделан в пользу ПК SOFiSTiK, так как данное МКЭ-решение адаптировано для анализа строительных конструкций и в нем работать проще, удобнее и быстрее. «К тому же в ПК SOFiSTiK удобно задавать параметры предварительного напряжения конструкций, технологически хорошо учтены важные для конструктора нюансы, поэтому не надо придумывать способ для моделирования. Хотя в скорости моделирования SOFiSTiK и уступает некоторым импортным программным комплексам, для нас он оказался оптимальным», — отмечает М.С. Марченко, директор по проектированию.
Ледовый дворец в г.Екатеринбурге
Партнером по адаптации и внедрению Института технологий преднапряжения стала инженерно-консалтинговая компания ПСС ГРАЙТЕК, специалист которой провел углубленное обучение инженеров и осуществил настройки программы к требованиям заказчика.
Мост через р.Оку в г.Муроме (трасса М-12)
Мост через р.Зею в г.Благовещенске
«В свое время компания ИТП приобрела программный комплекс SOFiSTiK 2018 года, многие модули и инструменты выглядели тогда непривычно — не так, как в актуальной версии SOFiSTiK 2023. Академичный и строгий интерфейс SOFiSTiK 2018 поначалу вызывал некоторые сложности в изучении. В связи с этим мы еще на старте проекта решили, что для быстрого и углубленного освоения возможностей анализа в данном продукте нам необходимы как первичное обучение работе с программой, так и совместная работа над проектом конструкции с опытным сотрудником-ментором. Такая возможность нам была предоставлена компанией ПСС ГРАЙТЕК, что позволило успешно и в срок выполнить все необходимые расчеты преднапряженных конструкций», — заявляет Максим Марченко.
Научно-космический центр им. Хруничева
Отметим, что начиная с версии SOFiSTiK 2020 в программе доступен современный ленточный интерфейс, как и в большинстве ПК МКЭ-анализа конструкций.
Обучение специалистов ИТП было разбито на четыре этапа. Первый предполагал базовое освоение функционала решения группой специалистов института. Второй — специализированный: он был посвящен расчетам преднапряжения мостов. Третий снова был базовым, но уже для других сотрудников. Последний был максимально персонализированным и углубленным: его программа была основана на тех вопросах, которые накопились у сотрудников за время использования программного продукта — это эксклюзивная практика для SOFiSTiK. До сих пор специалисты ПСС ГРАЙТЕК в рамках технологического сопровождения тесно взаимодействуют с ИТП и дают разъяснения в случае такой необходимости.
Сложные объекты
Сейчас институт использует SOFiSTiK при работе над разнообразными и зачастую весьма сложными объектами. Один из них — высотное (более чем 60-этажей) общественное здание.
«Совместно с СТС мы получили заказ не только просчитать балки, чтобы они держали это здание, но и осуществить поставку строительных материалов, выполнить непосредственно строительно-монтажные работы. Особенность конструкции здания заключалась в том, что по двум из четырех сторонам здания по периметру полностью убрали колонны, то есть более 60 этажей стоят на трансферных балках высотой в этаж. Трансферная конструкция очень объемна, потому что на ней стоит всё здание, к тому же здесь была применена сложная прямолинейная форма преднапряжения, а при расчете пучков преднапряжения важно было учесть стадийность возведения конструкции», — рассказывает об особенностях проекта Ренат Тулумбаев.
По его словам, стадийность возведения предполагала такую схему работы: построили одну треть этажей — натянули пучки, построили еще часть этажей — снова натянули. Поэтому требовалось, чтобы программный комплекс позволял рассчитать преднапряжение с учетом ползучести и усадки бетона и многих других параметров. «В такой ситуации мало какая другая программа, кроме SOFiSTiK, смогла была справиться: моделировать пришлось всё здание, все колонны, все стены, чтобы собрать правильную нагрузку на трансферные конструкции», — заявляет Ренат Тулумбаев.
Работы над проектом велись около года и предполагали огромное количество итераций, поскольку трансферные конструкции пересекались с вышележащими колоннами, с перекрытиями различных уровней. В связи с этим, чтобы найти правильный оптимальный вариант, приходилось перемещать элементы, контролировать перемещения на верхних этажах. На данный момент объект находится в завершающей стадии строительства.
Резервуар для хранения СПГ
Еще одна любопытная сфера применения — вантовые мосты. Сейчас в России на системе СТС строятся два моста, а Институт технологий преднапряжения осуществляет для них расчетное сопровождение. Ванты — это прямолинейные кабели, которые от высоких опор идут к пролету моста. Такая линия состоит из отдельных канатов (до 91 каната в одной ванте), и каждый из них необходимо монтировать по одному и натягивать.
«Когда натянули один канат и начинают натягивать второй, то узлы крепления первого сдвигаются друг к другу и величина преднапряжения в пучке ослабевает. И с каждым следующим канатом всё меняется. Необходимо добиться того, чтобы усилия во всех канатах были одинаковы, — разъясняет Владислав Горячкин, руководитель отдела расчетов АО «ИТП». — При этом следует учитывать, что канат — это не жесткий, а гибкий элемент, он провисает. Поэтому необходимо так рассчитать усилия натяжения канатов, чтобы при натяжении каждого следующего каната усилия в предыдущих падали, но в результате получились те показатели, которые заданы основным проектировщиком. То есть зачастую произвести эти расчеты гораздо сложнее, чем рассчитать сам вантовый мост, — но мы успешно выполняем их в ПК SOFiSTiK».
Кроме того, в случае с вантовыми конструкциями надо просчитывать и то, как ванты колеблются от ветра: необходимо ставить демпферы, которые будут этому препятствовать. То есть требуется выполнять еще и динамические нелинейные расчеты — с целью использования для этого ПК SOFiSTiK институт разработал свою пошаговую методологию.
Эксперт института уверен, что выбор в пользу программного комплекса МКЭ-анализа конструкций SOFiSTiK полностью оправдал себя. Конечно, с ним могли бы конкурировать общепромышленные программные комплексы КЭ-анализа, но только в решении отдельных задач. Для остального же пришлось бы дополнительно покупать другие программные продукты. К тому же SOFiSTiK решает и много других задач конструкторов и проектировщиков. Например, для составления отчетов и расчетных записок сотрудники института сделали свои шаблоны и формы, в которые автоматически вносятся результаты расчетов в нужном виде. Если бы использовалось несколько программных решений, пришлось бы разрабатывать их для каждого.
SOFiSTiK — это универсальный и всеобъемлющий по своим функциям программный комплекс расчета конструкций методом конечных элементов, разработанный специально для анализа строительных конструкций инженерами и разработчиками в Германии. Уже несколько десятилетий поколения инженеров конструкторов и расчетчиков строительных конструкций многих стран на нескольких континентах используют ПК МКЭ SOFiSTiK в своей повседневной работе над проектами уникальных конструкций.
«ПК SOFiSTiK обеспечивает решения самых сложных расчетных задач для различных типов конструкций и сооружений: проектирование мостов и транспортных сооружений, высотных, большепролетных и уникальных зданий, проектирование металлоконструкций, геотехнический анализ, динамика и CFD-анализ, расчет огнестойкости при пожаре и многое другое. Благодаря уникальной концепции разработчиков, ПК обладает высокой степенью адаптации под требования пользователя для создания широкого спектра корпоративных практических расчетных приложений, предназначенных для углубленного анализа конкретных типов конструкций или воздействий. ПК SOFiSTiK предоставляется бесплатно для тестирования, все студенты и преподаватели вузов могут без ограничений использовать ПК в своей учебной и научно-исследовательской деятельности. Компания ПСС ГРАЙТЕК обеспечивает обучение и консультации пользователей. ПК предоставляется в странах СНГ и РФ с интерфейсом на русском языке», — заявил технический директор ПСС ГРАЙТЕК Константин Биктимиров.
