Современные проблемы проектирования и расчета строительных конструкций зданий и сооружений с использованием вычислительных комплексов

Особенность сегодняшнего дня – бурное развитие строительного комплекса. Высокие цены на нефть, востребованность российского газа, металлов и других сырьевых ресурсов обеспечивают приток в страну значительных капиталов. Однако темпы роста промышленного и сельскохозяйственного производства, как отмечают аналитики, оставляют желать лучшего. Учитывая высокие риски вложений в российскую промышленность, инвесторы вкладывают в нее деньги очень неохотно. По-прежнему наиболее благоприятной формой инвестирования в России остается вложение в недвижимость. Это создает основу для активного развития строительной отрасли. Дополнительные бонусы строительство получает от реализации национального проекта «Доступное и комфортное жилье – гражданам России» и от масштабного инвестирования застройки г. Сочи в преддверии проведения там Олимпиады.

Отрадно то, что рост строительства ведет к увеличению объема реализации зданий и сооружений, создаваемых по индивидуальным и эксклюзивным проектам. Индивидуальные проекты разрабатываются на всех уровнях – от частного коттеджа до градостроительной планировки в целом. Такое разнообразие архитектурных форм ведет к усложнению проектов, увеличению их трудоемкости. Индивидуальный характер проектов приводит к усложнению конструктивных форм несущих каркасов зданий и сооружений. Современные проекты строительных объектов настолько сложны, что справиться со всеми возникающими на этапе их воплощения проблемами без ЭВМ не представляется возможным.

Разработчики программного обеспечения CAD, CAM, CAE постоянно предлагают на рынок все новые и новые версии программных комплексов, способных решать задачи строительства. Среди производителей программных комплексов для строительства и проектирования зданий и сооружений наметилась значительная конкуренция. Каждый разработчик к функциям, ставшим как бы стандартными, постоянно добавляет новые, расширяющие возможности программного комплекса, делая его более универсальным. Среди производителей программного обеспечения происходит заметная интеграция.

Разрабатываются конверторы и функциональные возможности обмена информацией между программными комплексами различных производителей. Многообразие предлагаемых программных продуктов радует, но конечным пользователям не всегда понятна разница между ними. Более того, не всегда пользователь может четко определить какой именно программный продукт ему необходим. Это особенно заметно при выборе программ категории CAE, то есть программ, позволяющих выполнять силовые расчеты конструкций. Для решения таких проблем производители организуют многочисленные семинары, конференции, проводят консультации, рекламные акции и выпускают ознакомительные версии своих программ.

Программные комплексы CAE позволяют решать разнообразные задачи строительной механики. Безусловно, они имеют границы применения, но разработчики их постоянно расширяют. У молодых пользователей создается ложное впечатление об их безграничности. При этом специалистам хорошо известно, что конечные результаты расчета конструкции будут сильно зависеть от выбора ее расчетной схемы. Надежность реализованной в натуре конструкции определяется надежностью, точностью и достоверностью ее расчета. Этап выбора расчетной схемы конструкции никак не регламентирован и является сугубо прерогативой проектировщика. Таким образом, конечная надежность здания или сооружения напрямую зависит от компетенции проектировщика. Опыт показывает, что новые программы легче осваивают молодые люди. Молодые специалисты, не обремененные глубокими теоретическим знаниями в области строительной механики и «ослепленные» возможностями расчетных комплексов, нередко делают ошибки при выборе расчетной схемы. Да и опытные проектировщики, учитывая все возрастающую сложность проектируемых сооружений, не всегда могут однозначно определиться с выбором расчетной схемы. Расчетная схема — это всегда упрощенная идеализированная модель реальной конструкции. Упрощение свойств реальной конструкции в ее расчетной модели может быть выражено слабее или ярче. Стремление максимально упростить расчетную модель ведет к потере информации и отдалению силовой работы модели от силовой работы физического прототипа.

Стремление учесть все мелочи ведет к чрезмерному усложнению задачи и может стать причиной появления скрытых ошибок, а также невозможности получения результата для сложных моделей. Конечно, мерилом достоверности соответствия предполагаемой расчетной модели физическому прототипу является натурный эксперимент. Однако натурные экспериментальные исследования значительно более сложны и дорогостоящи в сравнении с численными исследованиями. Поэтому численные исследования влияния выбора расчетной модели конструкций на конечный результат расчета являются актуальной задачей.

Вопросами надежности и достоверности расчетов строительных конструкций обеспокоены не только проектировщики и разработчики программ, но и государственные контролирующие органы. По этой причине одно из недавно введенных требований, предъявляемых к проектной документации на здания и сооружения, проходящей независимую экспертизу – это предоставление расчетов сложных несущих конструкций, выполненных как минимум двумя расчетными комплексами. Это необходимый, но реально недостаточный шаг на пути повышения надежности строительных объектов. Как уже отмечалось, важную роль в надежности расчета играет выбор расчетной схемы конструкции.

Одну и ту же конструкцию можно промоделировать в расчетном комплексе различными способами, например стрежневой, пластинчатой, объемной или комбинированной моделью и пр. Мы считаем, что с целью повышения надежности строительных объектов необходимо требовать выполнения расчетов по нескольким альтернативным моделям или обосновывать выбор одной модели. Это особенно важно для сложных конструктивных схем, не имеющих серийных разработок или воплощенных аналогов.
В качестве иллюстрации важности выбора расчетной модели при расчете конструкции на ЭВМ, далее представлены результаты расчета простейшей строительной конструкции – статически определимой металлической двутавровой балки, загруженной равномерно распределенной поперечной нагрузкой. Балка пролетом 3000 мм, двутаврового сечения загружена условной нагрузкой 7,5 кН/м, физические характеристики материала приняты для стали С245 согласно. Балка внешне статически определимая. Расчеты балки произведены в следующих вариантах:

1. с использованием стержневой модели в программном комплексе «Лира»;
2. с использованием стержневой модели в программном комплексе SCAD;
3. с использованием стержневой модели в программном комплексе VA2000;
4. с использованием стержневой модели в программном комплексе AnalysisGroup;
5. с использованием пластинчатой модели в программном комплексе «Лира»;
6. с использованием объемной модели в программном комплексе «Лира»;
7. с использованием объемной модели в программном комплексе CosmosWorks.Выводы по результатам расчета:
8. совпадение результатов, полученных на стержневой модели при использовании разных программных комплексов, практически 100%;
9. разница в результатах, полученных на объемной модели при использовании разных программных комплексов, не превышает 10%;
10. разница в результатах расчета моделей стержневая-пластинчатая, полученных в одном и том же программном комплексе составляет 9,2%;
11. разница в результатах расчета моделей стержневая-объемная, полученных в одном и том же программном комплексе, составляет 5,3%;
12. разница в результатах расчета моделей пластинчатая-объемная, полученных в одном и том же программном комплексе, составляет 4,1%;
13. максимальная разница в результатах расчета балки по всем программным комплексам для всех расчетных моделей составляет 12,9%.