Умный поиск

Clipart 1920x320 | PBL-курс "Расчет стройконструкций с нуля"

Цикл статей "Как рождается архитектура" | Dystlab Library

Основные задачи инженера-расчетчика

Эта статья является частью проектного курса Расчет строительных конструкций с нуля, который обучает слушателя правильному выбору расчетных схем, сбору нагрузок, моделированию и расчету строительных конструкций. Применение САПР в рамках курса сознательно сведено к минимуму, чтобы слушатель научился проектировать элементы конструкции "вручную".

Программа курса

  1. Основные задачи инженера-расчетчика
  2. Как не бояться проектировать?
  3. Готовимся к проверкам по предельным состояниям
  4. Нагрузки и воздействия
  5. Сочетания нагрузок
  6. Как отследить наиболее опасное положение нагрузки?
  7. Армирование железобетонной балки. Расчет ЖБК на действие изгибающего момента
  8. Расчет железобетонных конструкций по наклонным сечениям
  9. Основы расчета металлических конструкций
  10. Основы усиления зданий и сооружений

Расчет строительной конструкции, здания или сооружения необходим для обеспечения его правильной работы на всех стадиях жизненного цикла: от возведения и эксплуатации — до демонтажа и утилизации всех составных элементов.

Основные задачи инженера-расчетчика | Dystlab Library

Рисунок 1.1 Жизненный цикл здания

Расчеты сопровождают каждый из этих этапов.

Так, на этапе строительства, конструкция рассматривается в различных незавершенных вариантах — присутствуют “плохо” закрепленные элементы, снижена жесткость, имеются монтажные нагрузки и пр. На этапе расчета для режима эксплуатации моделируется, как сооружение будет вести себя в “повседневной жизни”. Наконец, демонтаж конструкции потребует разработки отдельного проекта с расчетами безопасного отсоединения тех или иных конструктивных элементов.

Проектирование и расчет

Понятие “расчет конструкции” настолько многогранное, что его стоит пояснить отдельно.

В Structural Mechanics под расчетом обычно понимают определение опорных реакций и построение эпюр. Отмечу, что в отечественной терминологии дисциплину Structural Mechanics принято разделять на теоретическую механику, сопротивление материалов, строительную механику, и изучать отдельными курсами.

В рамках данного курса мы будем считать, что этот этап уже пройден, напряженно-деформированное состояние сооружения нам известно и можно сосредоточить свое внимание на проверках конструкции по нормам проектирования. Таким образом, расчет конструкции будет включать итоговую инженерную проверку с констатацией факта о работоспособности запроектированной конструкции.

Проектирование здания или сооружения состоит из большого объема различных инженерных задач. По сравнению с конструированием, расчеты занимают в этом комплексе важную, но относительно небольшую часть, поэтому в данный курс вопросы конструирования не включены. Мы сосредоточим внимание именно на вопросах расчета (проверках сечений), а информацию конструкторского плана будем использовать по мере необходимости.

Основные задачи инженера-расчетчика | Dystlab Library

Рисунок 1.2 Многообразие инженерных задач

Задачи расчетчика

К основным задачам расчетчика, работающего в проектной организации, относятся:

  • разработка расчетных схем строительных конструкций
  • определение параметров напряженно-деформированного состояния
  • выполнение проверок в соответствии с нормами проектирования
  • применение САПР, BIM и прочих технологий в расчетах
  • взаимодействие с архитекторами, конструкторами, смежниками

Расчетная схема, математическая модель, НДС

В зависимости от конкретной задачи (новое строительство или реконструкция), инженер-проектировщик разрабатывает виртуальный аналог строительной конструкции — расчетную схему или модель.

От корректности расчетной схемы зависят все последующие этапы проектирования, включая конструкторский блок.

Математическая модель — это уравнения, описывающие поведение проектируемой конструкции. Если Вам требуется выполнить статический расчет, то результатом решения таких уравнений должны быть параметры напряженно-деформированного состояния конструкции (НДС), а именно: внутренние силы, изгибающие моменты, напряжения, деформации. Если требуется динамический расчет — то вдобавок к статическому НДС могут еще понадобиться частоты колебаний, скорости, ускорения отдельных точек сооружения.

Основные задачи инженера-расчетчика | Dystlab Library

Рисунок 1.3 Примеры расчетных схем

В абсолютном большинстве повседневных проектных решений вполне достаточно статического расчета, который можно выполнить вручную или с помощью метода конечных элементов (МКЭ). Например, уравнения МКЭ в простейшей матричной форме выглядят следующим образом:

\[\Delta  = {K^{ - 1}}F,\]

где

  • Δ — линейные перемещения и углы поворотов конструкции;
  • K — матрица жесткости;
  • F — внешние нагрузки и воздействия.

В наше время составление уравнений “на бумаге” и ручной расчет применяются крайне редко, в основном, для очень простых систем. Наиболее оптимальная математическая модель для инженера в реальных условиях — метод конечных элементов, реализованный в САПР класса CAE.

Если у Вас есть желание или производственная необходимость освоить метод конечных элементов “изнутри” и разбираться в его уравнениях, то рекомендую обратиться за консультацией к специалистам Dystlab.

Проверки по нормам

Вычислить значения сил, моментов, напряжений или деформаций от приложенных к конструкции нагрузок — лишь полдела. Важным этапом расчета является их дальнейшее сравнение с допустимыми значениями.

Допустимые значения НДС регламентируются нормами проектирования. Например, изгибающий момент от внешней нагрузки в сечении железобетонного элемента не должен превышать момента несущей способности, который зависит от материала (классов бетона, арматуры) и геометрии самого элемента. Еще пример: напряжение сжатия в стальной колонне не должно превышать некоторого расчетного сопротивления, и т. п.


Прочитайте статью: ПРОВЕРКА ПРОЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ БАЛКИ ПРЯМОУГОЛЬНОГО И ТАВРОВОГО СЕЧЕНИЯ


Применение САПР, BIM и других современных технологий

Сегодня работу инженера уже невозможно представить без компьютера. Перечислю здесь лишь некоторые инструменты, которые помогут Вам оптимизировать рутинные действия и сделать работу более комфортной и эффективной.

Расчетные программы (CAE)

Computer-aided engineering — инженерное программное обеспечение для проектирования и расчета различных технических систем. В области расчета строительных конструкций, зданий и сооружений сегодня применяются такие программы, как Autodesk Robot Structural Analysis, ЛИРА-САПР, Scad Office, Midas Civil, SOFiSTiK. Реже — Ansys, Nastran, Comsol, так как они всё же разрабатывались либо как пакеты мультифизики, либо для применения в других отраслях (например, в машиностроении).

При выборе расчетной программы рекомендуется обращать внимание не только на ее расчетные возможности (виды анализа, учет нелинейностей и пр.), но и на постпроцессорные модули — специальные дополнения (плагины) или отдельные приложения, с помощью которых после расчета можно также решать конструкторские задачи.

Немаловажным является и соответствие выбранной CAE-программы нормам проектирования, применяемым в Вашей стране. Если Вы — фрилансер или работаете на аутсорсинге для иностранной компании, то расчет по нормам заказчика является решающим фактором. Позаботьтесь об этом заблаговременно, еще до начала выполнения проекта.

Основные задачи инженера-расчетчика | Dystlab Library

Однако, не стоит и переоценивать роль такого программного обеспечения в сфере расчета строительных конструкций. Несмотря на вычислительную эффективность, системы автоматизированного расчета (CAE) пока еще остаются лишь “большими калькуляторами”, способными на строго запрограммированные действия. Это значит, что при неверных исходных данных результат расчета будет заведомо ошибочным. Очевидно, преодолеть этот барьер и доверить компьютерной программе самостоятельно принимать сколь-нибудь ответственные проектные решения можно будет лишь с переходом на инженерные системы нового поколения, созданные на основе нейросетей и искусственного интеллекта.

Конструкторские программы

В данном курсе вопросы конструирования рассматриваются только там, где они связаны с расчетом конструкции. Однако, ограничиться только расчетной работой на позиции инженера-проектировщика Вам вряд ли удастся, поэтому приведу наиболее “ходовые” на сегодняшний день инструменты конструктора.

Ранее конструирование велось на том же уровне автоматизации, что и расчеты — на бумаге, карандашом. Технологический рывок в конце XX века привел к появлению чертежных компьютерных программ типа AutoCAD, Компас-3D и аналогичных, многие из которых активно применяются в проектных организациях по сей день.

Однако наиболее перспективной и многообещающей технологией проектирования всё же является BIM — информационное моделирование зданий и сооружений. В отличие от ручного подхода, где связь между отдельными частями проекта не вполне очевидна, BIM сразу оперирует взаимосвязанными сущностями, едиными для всех стадий жизненного цикла сооружения. Единство архитектурной, конструкторской, расчетной моделей (включая инженерные сети) обеспечивает не только высокую эффективность проектирования, но и существенно снижает риск появления ошибки. При этом к разработке могут подключаться различные удаленные команды проектировщиков, расположенные в разных уголках планеты и выполняющие сугубо конкретный блок работы.

К современным программным решениям, поддерживающим технологию BIM, относятся Graphisoft ArchiCAD, Autodesk Revit Structure/Architecture, Tekla Structures и некоторые другие пакеты.

Основные задачи инженера-расчетчика | Dystlab Library

Рисунок 1.4 Пример BIM-модели (Tekla Structures)

Математические пакеты

В повседневной инженерной работе Вам могут понадобиться не только CAE и конструкторские программы. Часто бывает так, что нужно автоматизировать какие-то вычисления, проанализировать данные, построить графики и т. п. Если в используемом Вами программном обеспечении подходящего функционала нет, то рекомендую обратить внимание на такие математические пакеты, как Mathcad, Matlab, SciLab, LabVIEW и др.

Хорошо автоматизируют вычисления (например, сбор нагрузок на конструкцию) электронные таблицы (MS Excel, Google Spreadsheet). Для обработки статистической информации и визуализации данных подойдут такие специализированные программы, как StatSoft Statistica, OriginLab Origin и др.

Не лишним для инженера будет также обладать навыками программирования, ведь большинство современных инженерных программ поддерживают скрипты. Таким образом, у Вас всегда есть шанс в разы повысить скорость выдачи проектной документации, написав всего несколько строк кода.

Взаимодействие со смежниками

Эта информация идеально подходит для финала статьи, хотя лежит больше в плоскости так называемых “soft skills”.

Эффективная работа любого специалиста, в том числе и проектировщика, во многом зависит от его умения находить общий язык с коллегами, работать в команде, принимать участие в коллективных решениях, искать и находить компромиссы. Поскольку ближайшими “соратниками” расчетчика являются архитекторы и конструкторы (часто, это одни и те же лица), то их решения иногда могут идти вразрез с критериями прочности, устойчивости, долговечности, за которые отвечаете Вы как расчетчик. И здесь очень важно наладить тесную коллаборацию и стремиться к пониманию друг друга.

Даже если Вы — фрилансер, то рано или поздно Вам всё равно придется взаимодействовать со смежниками, а возможно, и создавать свою собственную распределенную команду исполнителей. Как сказано в отчете Deloitte 2017, “Важной частью проектирования для адаптивности является переход от иерархических организационных структур к моделям, где работа выполняется в командах. Действительно, только 14% руководителей считают, что традиционная организационная модель [...] делает их организации высокоэффективными. Вместо этого ведущие компании стремятся к более гибкой, ориентированной на команды модели”.

Это касается не только бизнеса, но и всей инженерной сферы. На следующем занятии мы постараемся избавиться от страха проектирования конструкций и составим алгоритм расчета любого здания или сооружения.

Источники информации

  1. Свод правил СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003 / НИИЖБ им. А. А. Гвоздева. - М.: 2011. - 156 с.
  2. Проектирование и расчет железобетонных и каменных конструкций: Учеб. для строит. спец. вузов / Н. Н. Попов, А. В. Забегаев. - М.: Высш. шк., 1989. - 400 с.
  3. Eurocode 3: Design of steel structures. Part 1-1: General rules and rules for buildings / EN 1993-1-1:2005 (Національний стандарт України ДСТУ-Н Б EN 1993-1-1:2010 Єврокод 3: Проектування сталевих конструкцій. Частина 1-1. Загальні правила і правила для споруд / - К.: Мінрегіонбуд України, 2011. - 150 с.)
  4. Свод правил СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81* / ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко. - М.: Минрегионразвития, 2011. - 173 с.
  5. EN 1990 Eurocode — Basis of structural design (Єврокод: Основи проектування конструкцій. Настанова / Національний стандарт України ДСТУ-Н Б В.1.2-13:2008 (EN 1990:2002, IDN) / - К.: Мінрегіонбуд України, 2009. - 204 с.)
  6. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы / - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. - 200 с.
  7. Свод правил СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* / ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко. - М.: Минрегионразвития, 2011. - 96 с.

Скачать бесплатно из каталога Dystlab

Комментарии   

0 # Мария 24.10.2017 11:26
Онлайн-интенсив по расчету строительных конструкций - community.dystlab.com/.../17-
Ведущий - Виталий Артемов
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
+1 # Виталий 27.04.2017 11:49
Спасибо за отзывы)
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
+1 # Андрей 20.04.2017 18:02
Отличная статья, с большим удовольствием слежу за деятельностью вашей команды, молодцы, респект
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
+2 # Алена 12.04.2017 06:58
Хорошо и понятно написано. Спасибо, Виталий!
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать

contact | Был ли этот материал полезным?

Под статьей | Случайные статьи по инженерии