Использование модуля прочностного анализа APM Structure3D для расчета строительных конструкций в условиях сурового климата

Ильгиз Юсупов

Город Нижневартовск, как, впрочем, и весь Ханты-Мансийский автономный округ, является одним из тех районов, где ведется весьма интенсивное строительство различных уникальных объектов. Данный регион характеризуется значительной удаленностью от основных промышленных и культурных центров России, суровыми снежными и холодными зимами, а также некоторыми другими специфическими условиями, речь о которых пойдет ниже.

Одной из особенностей данного региона является почти полное отсутствие местных строительных материалов. Такие традиционные строительные материалы, как цемент, кирпич, песок и гравий, на месте получены быть не могут (по причине почти полного отсутствия в регионе сырья для них), и требуется их завоз из других регионов. Другая особенность, делающая проблематичным использование железобетонных элементов конструкций — высокая кислотность воды в данной местности, вызывающая так называемую сульфатную агрессивность по отношению к бетону. По этой и некоторым другим причинам, а также из-за практически полного отсутствия централизованного финансирования строительной отрасли, местные домостроительные комбинаты и заводы железобетонных изделий в последнее время почти не работают.

Все строительные материалы доставляются в этот регион в основном железнодорожным транспортом, и это обстоятельство в значительной степени определяет номенклатуру привозимых стройматериалов. С экономической точки зрения в качестве строительных материалов наиболее целесообразно использовать легкие стеновые панели, выполненные из деревянного каркаса с синтетическим или натуральным заполнителем, а в качестве несущих элементов конструкций — металлические каркасы. Применение именно таких строительных материалов с учетом их доставки транспортом из других мест оказывается гораздо выгоднее, чем традиционных бетонных.

Согласно принятым правовым актам каждый из строительных объектов, возводимых в Ханты-Мансийском автономном округе, должен пройти вневедомственную государственную экспертизу. Этим и занимается Нижневартовский территориальный экспертный центр. Задача экспертизы — произвести проверочный расчет строительных конструкций с целью определения возникающих в элементах конструкции напряжений и, если потребуется, отправить готовый проект в головную организацию на доработку.

Кроме проведения экспертизы проектов, выполненных сторонними проектными организациями, наш экспертный центр имеет возможность получить у соответствующих проектных организаций право вести авторский надзор (контроль качества) в процессе строительства, то есть выполнять функции представителей этих организаций.

Думаю, что важность проведения экспертиз строительных объектов ни у кого не вызывает сомнений, особенно в свете извест­ных событий, приведших к разрушениям и многочисленным человеческим жертвам. Получается, что ошибки при проектировании могут стоить дорого в прямом и переносном смысле. Поэтому при проектировании необходимо применять новейшие программные средства: надежные, удобные в работе и, что немаловажно, сертифицированные Госстроем.

Одной из важных проблем, которую приходится при этом решать, является выбор программного обеспечения, необходимого для выполнения стоящих перед компанией задач. Эту задачу мы решили после знакомства с программным продуктом APM Structure3D — одним из наиболее удобных и надежных инструментов, имеющихся сегодня на рынке программного обеспечения подобного класса. APM Structure3D, входящий в состав широко известной российской системы APM WinMachine, позволяет провести расчет и проектирование строительных объектов методом конечных элементов. Он хорошо адаптирован к расчету строительных конструкций и, что очень важно, имеет сертификат соответствия Госстроя России, подтверждающий соответствие выполняемых расчетов металлоконструкций строительным нормам и правилам (СНиП), принятым в Российской Федерации.

Систему APM Structure3D мы активно используем при проведении экспертизы проектов уже более трех лет, и за это время она превратилась в базовый инструмент, который эффективно решает стоящие перед нами практические задачи. В этой статье мы хотели бы поделиться опытом ее использования.

Рис. 1. Твердотельная модель укороченного варианта навеса АЗС с вантами, подготовленная к расчету в модуле APM Structure3D

Отметим, что с помощью APM Structure3D в нашем центре было реализовано большое количество различных работ, но для иллюстрации потенциальных возможностей APM Structure3D мы выбрали три непохожих друг на друга объекта, которые были спроектированы в последнее время.

Для того чтобы было более понятно, о чем идет речь, начнем с простого объекта — автозаправочной станции. Ее строительный проект был выполнен проектно-строительной компанией «АРХИКОМ» (г.Нижневартовск), а экспертное заключение по нему было дано нашей компанией. Поскольку из всего проекта наибольший интерес в плане прочности представляет собой металлическая конструкция навеса над автоза­правочной станцией, то на проблеме конструирования этого навеса мы остановимся подробнее.

Компанией «АРХИКОМ» был представлен проект навеса в двух вариантах — укороченном и обычном. Модель представляет собой вантово-стержневую конструкцию. Первоначальный вариант навеса был обычный, но в процессе выполнения проверочного расчета был предложен укороченный вариант конструкции, который выбирался исходя из обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик (рис. 1).

Целью экспертизы была проверка напряжений в стержневых элементах конструкции и вантовых растяжках. Расчет выполнялся для зимних условий — снеговая нагрузка моделировалась распределенной силой на элементы крыши (на расчетной модели эта нагрузка не показана), и была опасность, что ванты, рассчитанные на снег, в летнее время «порвут» крышу.

Рис. 2. Карта напряжений конструкции навеса АЗС

Из приведенной на рис. 2 карты напряжений видно, что по величине напряжений в элементах данная конструкция полностью удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям. Внешний вид строящегося навеса АЗС представлен на рис. 3. Ввод в эксплуатацию данного объекта намечен на лето 2004 года.

Другим объектом, экспертиза проекта которого проводилась с использованием модуля APM Structure3D, была школа на 150 учащихся с интернатом на 30 человек в поселке Варьеган Нижневартовского района. На верхнем этаже школы располагается спортзал. Конструкция здания школы имеет традиционный для данного района металлический каркас, а в качестве стен использованы деревянные панели с синтетическим наполнителем.

Рис. 3. Внешний вид строящейся АЗС

Задачей расчета было определение напряжений в элементах металлического каркаса, а также уточнение возможности соединения балок металлоконструкции друг с другом с помощью анкерных болтов. Возможность соединения анкерными болтами проверялась с учетом кручения стержневых элементов конструкции школы. Дело в том, что модуль прочностного расчета APM Structure3D — один из немногих применяемых в строительстве программных продуктов, в котором в полной мере учитывается кручение стержневых элементов конструкции произвольного сечения, возникающее под действием расчетных нагрузок и деформации конструкции.

Стеновые панели, имеющие деревянный каркас и синтетический наполнитель, моделировались пластинами без жесткости, поскольку их жесткость, вносимая в общую конструкцию, пренебрежимо мала по сравнению с жесткостью металлического каркаса, выполненного из двутавровых балок, балок таврового сечения и квадратных труб. Внешний вид трехмерной расчетной модели конструкции школы изображен на рис. 4, причем здесь показана только сама модель каркаса конструкции, без приложенных расчетных нагрузок, показ которых отключен, чтобы не затемнять рисунок.

Рис. 4. Расчетная модель металлоконструкций каркаса школы в пос. Варьеган

По результатам расчета модели каркаса школы (карта напряжений, рис. 5) были сделаны выводы о том, что, во-первых, соединение балок с помощью анкерных болтов в данном случае допустимо, а во-вторых, что головной организацией было выполнено неоптимальное проектирование — допущен некоторый перерасход материалов.

Рис. 5. Результаты расчета (карта напряжений) напряженно-деформированного состояния конструкции школы

Кроме того, проведение проверочного расчета и предоставление его результатов проектирующей организации позволило нашему экспертному центру получить право вести авторский надзор в процессе строительства как полноправному представителю проектной организации.

Следующим объектом, экспертиза проекта которого проводилась с использованием модуля проч­ностного расчета APM Structure3D, была крытая хоккейная площадка на 600-800 зрителей, возводимая в поселке Излучинск Нижневартовского района. Проектную документацию разрабатывало МУП «Нижневартовский промстройпроект». Расчетная схема этого объекта была построена в соответствии с конструкцией, предложенной проектной организацией. Весьма актуальным в процессе проводимой экс­пертизы данного объекта стало то обстоятельство, что была осуществлена проверка прочности конструкции с учетом нового уровня снеговой нагрузки (дело в том, что в 2003 году Госстроем России был изменен номер снегового района нашей мест­ности — с 4-го на 5?й). Трехмерная модель конструкции хоккейной площадки изображена на рис. 6.

В результате расчета модели данной конструкции было обнаружено, что часть узлов конструкции имеет напряжения выше допустимых (так называемые перенапряжения). Карта напряжений, а также один из узлов с перена­пряжением и напряжения в сечении одного из входящих в узел стержней показаны на рис. 7.

Рис. 6. Трехмерная модель конструкции хоккейной площадки в пос. Излучинск

Рис. 7. Карта напряжений модели конструкции хоккейной площадки, узлы с перенапряжением, напряжения в сечении одного из стержней

По результатам проведения экс­пертной проверки крытой хоккейной площадки был обнаружен ряд узлов с перенапряжением. В связи с этим проектной организации было поручено выполнить дополнительное усиление узлов с одновременным перерасчетом на новый номер снегового района.

Внешний вид строящейся крытой площадки приведен на рис. 8, а на рис. 9 изображена ее конструкция изнутри.

Рис. 8. Внешний вид строящейся хоккейной площадки

Рис. 9. Вид строящейся хоккейной площадки изнутри

В заключение хочу поделиться своими личными ощущениями от работы с программой APM Structure3D. Следует отметить, что модуль системы APM WinMachine, о котором идет речь, постоянно развивается, предоставляя пользователю всё б о льшие и б о льшие возможности. Поэтому наше предприятие является постоянным участ­ником программы технического обслуживания, которая за умеренную плату предусматривает не только процедуры консультационного обеспечения, но и поставку обновленных версий системы.

Такой вариант работы с компанией НТЦ АПМ позволяет нам быть в курсе новых возможностей и эффективно их использовать. В качестве иллюстрации приведу свежий пример — расчет навеса, о котором мы говорили в начале статьи. Навес, как уже отмечалось, представляет собой вантово-стержневую конструкцию. Но на момент выполнения расчетов в APM Structure3D такого объекта, как гибкий элемент, еще не было. Поэтому канаты приходилось моделировать стержневыми элементами, что вносило некоторую погрешность в расчеты. В последней версии системы (APM WinMachine 8.3) стало возможным решение расчета и проектирования вантовых конструкций — появился новый объект, который позволяет моделировать любые тросы, нити и другие гибкие элементы.

Другое весьма полезное дополнение, появившееся сравнительно недавно в модуле APM Structure3D, — это проверка несущей способности стержневой конструкции в соответствии со СНиП. Кроме того, по результатам такого расчета возможен автоматический подбор оптимальных поперечных сечений элементов конструкции из указанной пользователем библиотеки сечений. Использование данного дополнения на практике позволит создавать оптимальные с точки зрения материалоемкости конструкции.

Подкупает и то, что работа с программным продуктом проста и понятна. Это прежде всего относится к процессу создания модели, что существенно сокращает время выполнения расчета и по­следующего анализа.

Как видно из вышеприведенных примеров, строительные конструкции могут существенно отличаться по сложности и размерам. Тем не менее мы не сталкивались с конструкциями, которые нельзя было бы рассчитать с использованием APM Structure3D. Следует отметить, что в последней версии APM Structure3D возможен расчет моделей конструкций фронтальным методом, для которого отсутствуют ограничения на размерность задачи. При применении этого метода существенно возрастает также и скорость расчета.

Программный продукт APM Structure3D улучшается и развивается как вглубь, так и вширь. Думаем, что разработчики НТЦ АПМ еще не раз порадуют пользователей новыми возможностями и решениями. Пожелаем им в этом успеха!

«САПР и графика» 8'2000