«Московские окна» — не только современная технология, но и современные методы проектирования

Дмитрий Гринцевич, Сергей Хренов

О программе APM WinStructure3D

Анализ конструктивных решений — путь к созданию наилучших конструкций

Фирма «Московские окна» была основана в 1994 году и одной из первых в России наладила собственное производство конструкций из ПВХ немецкой фирмы Rehau. «Московские окна» — одна из ведущих компаний в области изготовления оконных и дверных блоков, раздвижных конструкций, витражей и офисных перегородок. Фирма не ограничилась данным направлением и параллельно развивала другие области строительной деятельности, одной из которых является проектирование и изготовление большепролетных наклонных стеклянных конструкций и вертикального фасадного остекления.

На первых этапах выполнения такого рода конструкций специалисты фирмы использовали богатейший опыт инженеров Rehau в фасадном строительстве. С течением времени было принято решение выполнять большепролетные конструкции с применением алюминиевого профиля, что было экономически и технологически обосновано.

Применение алюминия для строительства фасадов объясняется тем, что алюминий — это легкий, прочный и не подвергающийся коррозии материал. Там, где речь идет о больших размерах, достоинства алюминия неоспоримы. Популярность алюминиевых систем прежде всего связана с их высокой прочностью и долговечностью, превосходящих пластик и дерево, а также точностью и надежностью сборки конструкций. В последнее время появился достаточно емкий рынок частных строений и общественных зданий и сооружений, где широко используются алюминиевые конструкции.

Практически все алюминиевые системы имеют довольно значительную номенклатуру несущих профилей с различными геометрическими характеристиками сечения. Выбор того или иного профиля должен быть обоснован статическим расчетом конструкции. Можно пойти по простому пути и остановиться на профиле с максимальными геометрическими характеристиками, что заведомо обеспечивало бы надежность конструкции, но было бы экономически необоснованным. В некоторых конструкциях нагрузки могут быть таковыми, что данная система не может обеспечить статических требований, поскольку не имеет в своем наборе профилей с необходимыми характеристиками. В этом случае в качестве несущих элементов используются балки из прокатной стали или металлические фермы.

Мощным средством в руках проектировщика является программа APM WinStructure3D, разработанная НТЦ АПМ и входящая в состав достаточно хорошо известной системы инженерных расчетов APM WinMachine. Фирма «Московские окна» приобрела и успешно использует эту программу. Она позволяет быстро и правильно рассчитать конструкцию по предельным состояниям первой и второй группы методом конечных элементов. Программа может импортировать файлы из формата AutoCAD, что делает ее универсальной и дает возможность рассчитывать стержни с поперечными сечениями различной геометрической формы.

О программе APM WinStructure3D

Опишем чуть подробнее возможности системы, чтобы было понятно, для каких задач и как именно ее следует эффективно использовать.

Прежде всего напомним, что система APM WinStructure3D предназначена для расчета напряженно-деформированного состояния стержневых, пластинчатых, оболочечных конструкций, а также любых их комбинаций. Программа организована таким образом, что в ее рамках можно рассчитать все многообразие существующих конструкций, собирая их из вышеперечисленных макроэлементов. Внешняя нагрузка, так же как и условия закрепления конструкции, может быть произвольной как по характеру, так и по местоположению.

Расчет напряженно-деформированного состояния протяженных пространственных конструкций выполняется методом конечных элементов, а также методами строительной механики и динамики механических систем. В качестве конечных элементов можно использовать по выбору элементы прямоугольной, четырехугольной и треугольной геометрических форм. Число конечных элементов и, следовательно, время расчета устанавливается пользователем. Общее количество конечных элементов ограничено исключительно возможностями компьютерной техники.

Разбивка на конечные элементы выполняется автоматически. В результате автоматической разбивки в случае необходимости можно внести поправки в режиме ручного ввода.

Несомненной удачей разработчиков является хорошо организованный интерфейс. Интерфейс позволяет относительно быстро и просто создавать достаточно сложные конструкции на уровне простейших проволочных и пластинчатых моделей (рис. 1, 2). Это достигается путем использования специализированного редактора, который включает в себя следующие компоненты более низкого уровня:

• графический редактор задания конструкций как комбинаций из стержней и пластин;
• визуализатор пространственного представления модели;
• редактор задания плоских сечений стержневых элементов;
• редактор задания нагрузок, условий закрепления и механических характеристик составляющих конструкцию элементов;
• визуализатор результатов расчета.

В системе имеется библиотека стандартных профилей и базы данных по материалам и их характеристикам, которую мы дополнили профилями фирмы Rehau. Подобная операция была выполнена достаточно легко с использованием процедуры импорта поперечных сечений (рис. 3), подготовленных в формате DXF.

APM WinStructure3D позволяет рассчитать величины напряжений и деформаций в каждой точке конструкции с учетом как внешнего нагружения, так и собственного веса каждого из элементов (рис. 4). Кроме того, имеется возможность расчета устойчивости конструкции, а также автоматического определения веса всех ее конструктивных элементов и конструкции в целом. APM WinStructure3D позволяет определить неизвестные силовые факторы в каждом из узлов и внутренние силовые факторы в пределах каждого конечного элемента. Эта информация может быть использована в дальнейшем для расчета сварных, групповых резьбовых либо заклепочных соединений. Результаты расчетов с помощью визуализатора специального вида представляются в цветовой гамме, в виде изолиний или в форме эпюр напряжений, моментов, сил, деформаций и т.д. (рис. 5).

Интерфейсная часть, предназначенная для демонстрации результатов расчета, проста, доступна в понимании, удобна в работе, а главное — сильно облегчает анализ полученных результатов и способствует принятию правильных решений. Интерфейс включает визуализаторы:

• напряженно-деформированного состояния модели;
• распределения напряженно-деформированного состояния системы в любом текущем сечении любого элемента конструкции;
• силовых факторов и деформаций (линейных и угловых) в узловых точках;
• графиков функций, описывающих законы моментов изгиба и кручения, напряжений и деформаций, поперечных сил и т.п. по длине любого из входящих в состав конструкции стержней.

В режиме печати результатов расчета пользователю предоставлена возможность сохранения этого результата в виде твердой копии. Предусмотрен также режим вывода в формат RTF, который может быть прочитан современными текстовыми редакторами, что позволяет в дальнейшем сформировать документ в удобной для пользователя форме.

Широкое применение ряда специализированных редакторов существенно облегчает работу конструктора. Например, задание геометрии упрощается за счет применения проволочных и пластинчатых моделей конструкций. Для детальной прорисовки можно использовать режим объемного моделирования твердотельной модели. Предусмотрен в системе и режим визуализации поперечного сечения для любого из выбранных элементов стержня. При практической работе с системой можно обращаться к множеству встроенных в интерфейс контекстных подсказок, что также способствует взаимопониманию пользователя с компьютером. При этом пользователю дается подробная инструкция по описанию порядка работы и перечню возможных команд. Нам даже не понадобилось специального обучения. Работу с системой освоили самостоятельно и быстро.

Широкий спектр описанных выше возможностей, предоставляемых системой APM WinStructure3D, позволил существенно улучшить качество и сократить сроки проектирования конструкций. С использованием APM WinStructure3D можно спроектировать такие конструкции, которые будут наилучшим образом отвечать требованиям заказчика.

Анализ конструктивных решений — путь к созданию наилучших конструкций

Все вышеперечисленные возможности программы мы используем на стадии разработки конструкции. Рассмотрим процесс проектирования на примере одного из многих объектов, выполненных фирмой «Московские окна».

Перед фирмой была поставлена задача по изготовлению и монтажу ограждающей конструкции бассейна, имеющей двускатную кровлю и вертикальные боковые части с заполнением стеклопакетами. Ширина пролета составляла 6 м, длина всей конструкции — 6 м, высота в коньке — 4 м, угол наклона скатов — 28 градусов (рис. 6). Торцы не остеклялись, а крайние несущие балки жестко привязывались к существующим деревянным стропилам, то есть конструкция была «встроена» в здание и повторяла его геометрические формы. Исходя из вышеуказанных размеров на стадии первичного рассмотрения, в качестве несущего каркаса планировали использовать балки из прокатной стали. Но статический расчет конструкции с использованием программы APM WinStructure3D показал, что даже при самом неблагоприятном сочетании нагрузок деформации алюминиевых балок максимального сечения не превышают допустимых (1/300 длины). Проблемой явились высокие показатели напряжений в узловых соединениях (предельное состояние первой группы) — в элементах конькового узла и узлах сопряжения наклонных и вертикальных элементов каркаса. В результате анализа полученных данных стало понятно, что усиление вышеуказанных узлов позволит использовать балки из алюминиевого профиля вместо металлических. Для этого были изготовлены закладные детали из металлического профиля, поперечное сечение которого обеспечивало необходимую жесткость. На рис. 6 представлен фрагмент потолка бассейна, смонтированного фирмой «Московские окна» и рассчитанного с помощью системы APM WinStructure3D.

По окончании работ опытным путем был установлен прогиб от собственного веса конструкций с учетом массы стеклопакетов (рис. 7). Для подтверждения полученных данных в программу APM WinStructure3D была занесена конструкция без учета внешних воздействий. Теоретический расчет подтвердился практическими данными с небольшой погрешностью.

Расчет такого рода конструкций занимает значительную часть времени проектировщика. Использование же программы APM WinStructure3D позволяет существенно сократить срок разработки проектной документации и снизить стоимость конструкции благодаря полученному оптимальному решению в выборе материала и сечений несущих балок. Если учесть и достаточно низкую стоимость APM WinStructure3D, то нетрудно посчитать тот экономический эффект, который мы получили в результате ее применения.

Фирма «Московские окна», используя накопленный опыт, готова сотрудничать со строительными и проектными организациями, как на уровне проектирования светопропускающих конструкций, так и при проведении работ по реконструкции зданий. Наш основной метод работы — индивидуальный подход и высокое качество выполняемых работ. В этом нам существенно помогает система APM WinStructure3D.

На рис. 8 приведен пример одного из сооружений, рассчитанного с использованием продуктов НТЦ АПМ.

«САПР и графика» 2'2000