О комплексе «FEM Models»
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.
Совместные расчеты в программном комплексе FEM-models позволяют:
- находить оптимальные экономичные конструктивные решения при проектировании зданий и сооружений;
- прогнозировать развитие деформаций во времени при выполнении работ по мониторингу;
- выявлять истинную причину осадок здания при обследованиях;
- выполнять сложнейшие расчеты;
- обеспечивать исполнение закона 384-ФЗ по учету нелинейных и реологических свойств материалов и грунтов;
- снижать риски при строительстве сложных объектов.
Применение при проектировании зданий
Снижение стоимости строительства
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.
Безопасность строительства в условиях плотной городской застройки
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.
Применение при обследовании и спасении аварийных зданий
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.
Применение при работах по сохранению архитектурных памятников
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».
Структура программного комплекса
Ядро программы
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.
Графический редактор
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.
Среда для разработки конечно-элементных моделей
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.
Банк моделей
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.
Модели работы основания и сооружения
В настоящее время в рамках программы разработан ряд моделей, описывающих работу основания и сооружения.
Среди них:
- линейно и нелинейно упругие модели (изотропные, ортотропные, анизотропные среды), модели объемно несжимаемых сред;
- упруго-пластические модели (идеальная упруго-пластичность, шатровые модели);
- реологические модели;
- геометрически нелинейные модели сплошных сред;
- напорная и безнапорная фильтрация;
- стационарная и нестационарная задача теплопроводности;
- задачи термо-вязко-упруго-пластичности;
- модели структурно неустойчивых сред;
- задачи динамики сплошных сред.
В программе "FEM models" реализован принципиально новый подход к созданию конечно-элементных моделей
Его отличительными чертами являются:
- прозрачность, то есть свобода доступа ко всем деталям реализации конкретной модели, а также математическая ясность самого описания модели для автора, пользователя и любого эксперта;
- открытость, то есть возможность пополнения программы новыми моделями;
- простота использования разработанных моделей для практических расчетов;
- отсутствие инерции в практическом использовании новейших научных разработок.