Несколько лет назад ученые, ведущие специалисты компании «Геореконструкция» поставили перед собой задачу разработать методику совместного расчета оснований (грунтов) и надземных конструкций сооружений с учетом их взаимодействия и взаимного влияния.
На сегодняшний день программный комплекс «FEM models», созданный нашими специалистами, является российским лидером в практике совместных расчетов зданий и оснований. При совместном расчете здание и его основание рассматривается как единая система.
FEM-models — единственный в России программный продукт, позволяющий создавать совместную модель проектируемого здания, его фундаментов и основания (массива грунта) таким образом, что их расчет производится совместно.
Возможности других программных продуктов позволяют рассчитывать лишь отдельно надземную часть здания и отдельно подземную часть здания. Последующее объединение этих данных дает весьма теоретический результат, недостаточно точно отражающий реальную картину усилий, действующих в конструкциях здания. Из-за этого проектировщики вынуждены проектировать конструкции с большим "запасом", чтобы избежать ошибок, увеличивая габариты конструкций, и тем самым повышать конечную стоимость строительства.
В реальности же подземная и надземная части здания "работают" совместно, взаимно влияя друг на друга. Поэтому модель здания, учитывающая это взаимодействие, построенная в программе FEM-models, максимально достоверна, и совместный расчет конструкций здания и его фундаментов дает значения усилий, максимально приближенные к реально действующим.
Мы получаем максимально точные данные усилий, исключаем перерасход материалов на чрезмерный "запас" и проектируем максимально экономичные конструкции, при этом не снижая уровень надежности.
FEM-models также позволяет создавать совместную модель проектируемого здания, его фундаментов, основания и соседней застройки, учитывая влияние строительства на соседнюю застройку в городских условиях.
Учет влияния на соседнюю застройку исключает возникновение непредвиденного развития событий при устройстве котлованов, предотвращает аварийные ситуации и расходы на ликвидацию последствий.
Интерактивное моделирование ситуации в программе FEM-models позволяет создавать щадящие стратегии и безопасные режимы производства работ для строительства в условиях плотной городской застройки.
Благодаря совместным расчетам были найдены безопасные и эффективные строительные решения реконструируемых зданий на Владимирском пр. 19, Большой Морской ул. 54, Малой Морской ул. 23, зданий встроек на Владимирском проспекте и Конюшенной улице и для др. объектов.
В основу методики обследования сложных аварийных объектов нами положен расчет взаимодействия системы «здание – его фундаменты – основание» в среде программного комплекса FEM-models.
Для того, чтобы создать расчетную модель здания и наделить конечные элементы свойствами реальных материалов, приходится в деталях разбираться в его конструктивном решении здания и определять текущие механические параметры материалов. Для этого специалисты компании проводят обследование аварийного здания, применяя самые современные методы обследования. Для создания модели основания мы выполняем инженерно-геологические изыскания.
На созданной в программной среде расчетной модели проверяются все возможные версии развития деформаций. Результаты расчетов сравниваются с реальной картиной развития деформаций, системой трещин.
Гипотезы, которые не проходят проверки расчетом и сопоставлением с реальностью, отметаются. В результате всестороннего расчетного анализа находятся подлинные причины развития деформаций, что позволяет назначать адекватные мероприятия по стабилизации ситуации и обеспечению длительной сохранности здания.
В основу нашего подхода к сохранению памятников заложен известный принцип Гиппократа: «не навреди». Мы считаем что к такой хирургической операции, как усиление фундаментов, пересадка их на сваи, следует прибегать лишь в том случае, когда нет иного выхода. Поэтому наш подход к памятнику начинается со всесторонней диагностики.
Мы создаем детальную компьютерную модель здания, его фундаментов и основания в среде программного комплекса FEM-models. Вся информация о конструктивном решении здания, прочности его элементов, получаемая при обследовании становится базой исходных данных для построения расчетной модели памятника.
Все возможные версии развития деформаций памятника тщательно анализируется с помощью расчетной модели. В результате многочисленных серий расчетов определяются подлинные причины разрушения. Благодаря такому научно обоснованному подходу исключается волюнтаризм в принятии решений о методах сохранения памятника.
Так нами были спасены от вредного и дорогостоящего усиления фундаментов такие символы нашего города, как биржа на Стрелке Васильевского острова, башня Адмиралтейства, Морской Собор в Кронштадте, а также такие памятники древнерусского зодчества, как Георгиевский собор в Старой Ладоге и Успенский Собор в Тихвине. Для всех этих памятников нами были «прописаны» оптимальные, щадящие методы «лечения».
Ядром программы является "решатель", осуществляющий процедуру формирования разрешающей матрицы системы конечных элементов из матриц отдельных конечных элементов и после этого процедуру решения системы линейных алгебраических уравнений. Особенностью "решателя" является возможность решения физически и геометрически нелинейных задач методом последовательных приближений, в том числе с возможностью перестроения конечно-элементной сетки. При этом задачи могут рассматриваться в плоской, осесимметричной, пространственной постановке, с учетом изменения во времени. При разработке "решателя" был проведен детальный анализ различных алгоритмов решения задач линейной алгебры и выбраны наиболее эффективные методы, адекватные современному уровню развития вычислительной техники.
Вторым компонентом программы является оригинальный графический редактор, представляющий собой систему создания пространственных конечно-элементных схем, которые могут изменяться во времени. Таким образом, пользователю предоставляется возможность работать в виртуальном четырехмерном пространстве-времени. Графический редактор построен таким образом, чтобы максимально упростить процедуру создания конечно-элементных схем и свести ее к визуально контролируемому процессу черчения в трехмерном пространстве. Он позволяет также осуществлять анализ результатов вычислений в удобной и наглядной форме (в виде изолиний, эпюр, графиков, деформированных схем и т. п.). Редактор разработан с использованием современных достижений в области трехмерной графики, используемой в настоящее время преимущественно в компьютерных играх.
Третьим компонентом программы является среда разработчика конечно-элементных моделей, которая позволяет создавать, тестировать и анализировать расчетные модели. Среда разработчика дает возможность пользователю создавать конечно-элементные модели, при этом от него практически не требуется знаний в области программирования. Практически все описание модели осуществляется на математическом языке.
В программе «FEM models» использованы традиционные подходы к моделированию работы надземных конструкций, ставшие привычными для проектировщиков. Более того, расчетные схемы, выполненные в таких популярных программах как SCAD, ЛИРА могут свободно конвертироваться в среду «FEM models». Это же относится и к чертежам, выполненным а программе AutoCAD.
Наконец, четвертым компонентом программы является банк моделей, в котором хранятся конкретные конечно-элементные модели. При решении практических задач из этого банка выбирается адекватная модель. Конечный элементСтержнем программы, соединяющим в единое целое перечисленные компоненты, является структура универсального конечного элемента, позволяющего описать практически любую модель МКЭ. Описанный в рамках данной структуры конечный элемент может иметь неограниченное число различных степеней свободы в каждом узле (перемещения, ускорения, напоры воды, температуры и т. д.). Предусмотрено введение новых неизвестных в узлах элемента по усмотрению автора модели. В узлах могут присутствовать также силы или иного рода воздействия. Каждый элемент описывается определенным набором параметров, задаваемых пользователем при расчете, число которых определяется автором модели.
Автор модели при работе в среде разработчика заполняет описанную структуру универсального конечного элемента конкретной информацией о создаваемой им модели. Тем самым автор наделяет элемент определенным перечнем "знаний и умений", таких как способность формировать матрицу жесткости элемента, определять удобный способ визуализации на экране, вычислять внутренние усилия по полученным в результате решения перемещениям узлов и т. п. Заполненная описанным способом структура универсального конечного элемента превращается в конкретный конечный элемент, отвечающий предложенной автором модели, после чего автоматически встраивается в банк моделей и тем самым становится составной частью программы.Таким образом, с программой "FEM models" могут работать как ученые-разработчики моделей среды, так и пользователи-расчетчики, занимающиеся расчетами по готовым моделям.
В настоящее время в рамках программы разработан ряд моделей, описывающих работу основания и сооружения.
Среди них:
Его отличительными чертами являются: