Расчет зданий в условиях сложной геотехнической обстановки

В настоящее время широко распространяются технологии информационного моделирования – ТИМ (BIM), в рамках которых, одним из основных преимуществ является возможность использования одной информационной модели сооружения при работе над ней разными подразделениями проектной компании. С позиции инженера конструктора, работающего как в архитектурно-строительных программах (Revit, Tekla, Archicad и др.), так и в расчетных комплексах (ЛИРА, СКАД, Stark и др.) до недавнего времени такие связки были абсурдны и нереальны, поскольку в одних программах использовались понятия конструктивных элементов – стены, перекрытия, балки и пр., когда как в других – конечные элементы (тысячи конечных элементов вместо одного конструктивного элемента перекрытия), узлы, граничные условия, сходимость и точность решения.

Многие разработчики программных комплексов, с появлением трехмерного моделирования конструкций архитекторами, сделали подпрограммы (а некоторые и препроцессоры) для работы с моделями из программ архитектурно-строительного направления. Так, например, в ПК ЛИРА существуют архитектурные элементы, которые можно создавать как в самой программе, так и экспортировать из Revit и др. программ. В настоящее время такая связка работает в двустороннем режиме – обратно из ПК ЛИРА 10.6 передается в Revit армирование.

Передав модель из Revit в ПК ЛИРА 10.6 инженер сталкивается с вопросами взаимодействия сооружения с грунтом основания. Если для простых задач, с точки зрения геологии, этот вопрос решается в рамках расчета коэффициентов постели, то в сложных геотехнических задачах, часто приходится прибегать к тяжелым программным комплексам – PLAXIS, ANSYS и пр., ввиду наличия специфических нелинейных моделей грунта. На этом этапе инженер испытывает ряд сложностей: с одной стороны, имеется модель сооружения в расчетном комплексе, в котором решаются вопросы конструкций – расчеты по предельным состояниям и подбор арматуры по нормативным документам, с другой стороны – граничные условия для этой задачи необходимо каким-то образом передать из модели PLAXIS. На текущий момент, благодаря реализации связки таких программ как ЛИРА 10.6 и PLAXIS 3D, появилась возможность производить процесс проектирования по схеме Revit-ЛИРА-PLAXIS- ЛИРА, которая позволяет пользоваться плюсами всех трех программных комплексов и значительно ускорить сроки выполнения проектов, требующих сложных геотехнических решений, а главное повысить точность передачи данных.

PLAXIS 3D представляет собой простой и удобный пакет МКЭ-программ для выполнения расчётов сложных комплексных геотехнических проектов в области современного высокотехнологичного строительства.

В процессе расчётов определяются напряжения, деформации, прочность (устойчивость) в сложных геотехнических системах с учётом совместной работы инженерных конструкций и их взаимодействия с грунтом на этапах строительства, эксплуатации или реконструкции, а также фильтрационные и температурные процессы грунтовых и конструктивных сред.

Постановка задачи

В качестве примера работы связки ЛИРА 10.6 и PLAXIS 3D было рассмотрено несколько моделей зданий, ограждения котлована и ЖД насыпи, подготовленных в Revit (рис. 1). Данная модель представляет собой сложную геотехническую и конструктивно-реконструктивную задачу.

Основная цель моделирования достигалась итерационным подходом к нахождению оптимальных решений в системе котлован – существующее сооружение и транспортное направление, так как требовалось оценить влияние нового строительства на сооружения и предложить варианты экономически оптимальных решений по уменьшению воздействия на них.

Как известно, из Revit в ПК ЛИРА 10.6 передается аналитическая модель (рис. 2).

Результаты передачи моделей из Revit в ПК ЛИРА представлены на рис. 3 и 4.

Установка расширения

Далее перейдем к связке ЛИРА 10.6 – PLAXIS.

Программная реализации связки ЛИРА-PLAXIS выполнена по средствам API модуля, разработанного компанией НИП-Информатика, при участии специалистов ЛИРА софт.

Для совместной работы 2-х программ необходимо установить дополнительный компонент в ПК ЛИРА. Это делается всего один раз на компьютере.

Для появления окна «Расширения» в ПК ЛИРА 10.6 нужно:

В установочном каталоге ЛИРА 10.6 (подкаталог Bin64 или Bin32) есть файл Lira2PlaxisProvider.xml.

Это регистрационный файл для LiraAPI расширения в котором реализован конвертер.

Этот файл нужно скопировать в AddIns директорию для расширений:

c:UsersИмя_пользователяAppDataRoamingLira SoftLira10.6AddIns

При следующем старте ПК ЛИРА расширения добавит пункт меню в блок «Расширения».

Требования к модели

Отдельно следует обратить внимание проектировщиков на точность сборки моделей, так как это напрямую влияет на расчет как в ЛИРА, так и в PLAXIS.

С учетом того, что PLAXIS 3D порой приходится работать с огромным количеством элементов в первую очередь грунтовой среды (цифра может достигать 1 млн КЭ), следует тщательно относиться к сборке самих конструкций. Рекомендуется не применять элементы размеры которых будут менее 0,5м.

Так как PLAXIS зарубежный ПК, требования к единицам его измерения отвечают принятой системе СИ, т.е. нагрузки в «кН», размеры в «м» и т.д. Соответственно задание нагрузок в Revit так же предполагалось в данной системе.

Процесс передачи

На текущий момент в связке ЛИРА-PLAXIS 3D реализована передача значений как коэффициентов упругого отпора для стержневых и оболочечных элементов, так и значений КЭ 56 для корректной реализации свайного фундамента (значение каждого введенного КЭ 56 в ЛИРА 10.6, после расчета в PLAXIS 3D получит индивидуальную жесткость, в зависимости от сложности напластования грунтов на площадке) (рис. 5).

Для корректной передачи в ПК ЛИРА предусмотрена функция быстрого и точного перевода систем измерения из одной в другую, что не ограничивает проектировщика в выборе метрической системы.

Далее приводится минимальный набор действий, необходимый как для статического расчета в ПК ЛИРА, так и для передачи геометрии в PLAXIS 3D, ведь мы говорим о полном цикле проектирования по данной связке:

1. Проверить модель на актуальность введенных данных, единицам измерения в системе СИ.

2. Решить вопрос с нагрузкой собственного веса, если это не решено ранее.

3. Во вкладке «Сечения», проверить правильность и имена заданных сечений.

4. Во вкладке «Материалы», проверить правильность заданных материалов.

5. Во вкладке «Загружения»

5.1. Создать РСУ/РСН

5.2. Активировать все загружения с заданными коэффициентами переходов от нормативных к расчетным нагрузкам (или наоборот в зависимости от вашего навыка работы).

5.3. Создание необходимых комбинаций, как минимум комбинация для расчета самого С1 и осадки.

6. Во вкладке «Конструирование», создать необходимые типы элементов конструирования.

7. Проверить чтобы всем элементам были заданы вышеперечисленные параметры.

8. Триангулировать модель в сетку КЭ.

9. Задать коэффициент постели для фундаментных плит (можно просто принять 3000 кН/м³).

10. В зависимости от задачи:

10.1. Сделать закрепление фундаментных плит от смещения по X, Y;

10.2. Либо ввести КЭ56 в узлы фундамента и принять жесткости Rx=Ry=0.7*S*C1, где С1 – средняя площадь конечного элемента фундаментной плиты.

11. Произвести упаковку схемы.

12. Далее, произвести приведение координат к модулю. Так как PLAXIS довольно сложная и «капризная» к точности сетки программа, не рекомендуется оставлять значения координат узлов в ПК ЛИРА более 2 знака после запятой. Хотя это только субъективный подход каждого.

13. Проверить оси выравнивания напряжений (хотя при передаче именно из Revit проблем с этим нет).

Работа с модулем PSI

Программа “PLAXIS Structure Interaction” (PSI) позволяет выполнять совместные расчеты системы «конструкция-основание». В данной программе от компании НИП-Информатика присутствует исчерпывающая информация о дальнейшей работе, так что подробного описания ее работы далее не представляется нужным.

- Таким образом вызывается более справка о программе, которая является более чем исчерпывающей для проектировщика.

Так же Вы можете скачать подробную инструкцию.

Стоит упомянуть лишь, что после копирования файлов из директорий хранения «начальных» проектов в директорию «рабочих»,

нужно открыть файл ПК ЛИРА и сделать запись файла для передачи в PLAXIS из окна «Расширения» и сохранить текущий файл.

После процедуры передачи модели следует выполнить расчет программы PSI

Далее, открыв ПК ЛИРА через PSI на соответствующей иконке, через панель «Расширения», выполнить чтение получаемых данных из соответствующих директорий (подхватываются по умолчанию).

Результаты

В результате расчетов посредством PLAXIS 3D и передачи этих данных в ПК ЛИРА 10.6 мы получили наиболее достоверные значения упругого отпора с учетом нелинейных моделей грунтов и постадийной разработки основания здания, а также учет возведения самого здания с приращением нагрузок (стадия монтаж).

Как показывают результаты в частности вертикальных перемещений - в двух ПК достигнута хорошая сходимость результатов, что говорит о правильной интеграции двух разнонаправленных пакетных решений - проектирования конструкций и геотехнических расчетов.

Выводы

По итогу рассмотрения связки Revit-ЛИРА-PLAXIS-ЛИРА, можно сказать, что она достойно дополняет концепцию BIM в части процессов передачи моделей и дальнейшего расчета несущих конструкций и оснований сооружений, а также открывает перед пользователями новые просторы для ускорения и упрощения процессов проектирования.

На текущий момент выполнен большой объем работы и данная связка продолжает свое развитие в сторону облегчения рутинных операций для проектировщика и повышения качества при использовании кардинально разных программных комплексов для решения сложных задач современного проектирования. Особенно, связка будет полезна для конструкторов и геотехников, при проектировании сооружений нормальной и повышенной ответственности, где расчетные нагрузки уходят дальше границы упругой работы грунтового основания.

Тихонюк Иван, инженер-геотехник
Канев Данил, ЛИРА софт
Колесников Алексей, ЛИРА соф

Источник: сайт lira-soft.com