Как обосновать конструктивные решения?

О расчетных обоснованиях конструктивных решений рассказывает Ильдар Маннанов, начальник Набережночелнинского зонального отдела ГАУ «УГЭЦ РТ».  

При проведении экспертизы конструктивной части проектной документации эксперты зачастую запрашивают расчетные обоснования принятых проектных решений. Как правило, по запросам экспертов представляют результаты машинных расчетов. 

В одних случаях это результаты расчета пространственной модели здания, в других – результаты расчетов отдельных элементов конструкций.

Наиболее популярные программные комплексы, применяемые для выполнения расчета пространственной модели зданий: SCAD Officе, STARK ES, «ЛИРА-САПР», Ansys и др.

Расчеты отдельных конструктивных элементов выполняются, как правило, с применением программных комплексов SCAD Officе, STARK ES, «ЛИРА-САПР» либо программного средства Base. При этом такие расчеты могут выполняться даже для таких элементарных случаев, как расчет однопролетной шарнирно опертой стальной балки, а результаты такого расчета, вследствие различных ошибок при вводе данных (в т.ч. связанных с единицами измерений), могут быть самыми фантастичными. При этом авторы расчета не утруждают себя анализом полученных результатов, гордо заявляя: «Посчитано на компьютере». 

Нередко авторы расчетов довольствуются лишь автоматической генерацией сетки конечных элементов без детального рассмотрения результатов генерации, без внесения в нее поправок. Размеры конечных элементов принимаются зачастую завышенными, что неизбежно может повлиять на результаты расчетов. Например, сравнительные расчеты плоских плит с различной сеткой конечных элементов показывают, что при более редкой сетке (например, 4х4) величина перемещений примерно на 10% превышает величину перемещения, полученную для той же плиты при сетке 24х24. Величина же максимальных усилий при редкой сетке примерно на 10% занижается.

Требования к результатам расчетов, предоставленных на экспертизу:

 ►На титульном листе должны быть подписи руководителя, ГИПа, исполнителя и проверяющего.

►В пояснительной записке – краткое описание выполненного расчета. В конце пояснительной записки должна быть приведена запись ГИПа и другого ответственного представителя (начальника отдела, главного конструктора) примерно в следующей редакции: «Полнота расчетов и соответствие их нормативным требованиям обеспечены. Надежность строительных конструкций и здания в целом обеспечены. ГИП …, Главный конструктор…».

►Результаты сбора нагрузок.

►Наименование программного средства, с применением которого выполнен расчет.

►Описание и обоснования принятой расчетной модели.

►Расчетные схемы нагрузок. Основные жесткостные характеристики элементов.

►Результаты расчета в виде цветных диаграмм либо в виде таблиц максимальных значений перемещений, напряжений, внутренних усилий для характерных элементов конструкций и сечений, результаты подбора сечений элементов несущих конструкций.

►Выводы по результатам расчета.

К специальным приемам относится и подбор густоты сетки исходя из получаемых в ходе анализа градиента напряжений. Основное внимание при этом должно быть обращено на гладкость конечно-элементной сетки (постепенное изменение размеров элементов).

Рекомендации по расчетам пространственных моделей:

►Длина стержневого конечного элемента при постоянной жесткости по длине при решении статической линейной задачи может быть любой. В остальных случаях исходный конструктивный элемент (стержень) должен быть разбит на более мелкие стержни – стержневые конечные элементы. 

►Для плит, оболочек для получения инженерной точности решения 5% нужно выбрать шаг сетки равным примерно 1/20 от характерного размера. Приемлемая точность решения может быть получена и на более крупной сетке конечных элементов. Для ответа на вопрос «какой?» используется прием последовательного сгущения сетки. Опыт показывает, что во многих случаях достаточным является принимать размер конечного элемента в пределах 1/10 – 1/8 характерного размера. 

►При решении задач устойчивости достаточным может считаться принять размер конечного элемента из такого расчета, чтобы в полуволну формы изгиба при потере устойчивости попадало 3–4 элемента.

►Одним из основных принципов дискретизации является сгущение сетки конечных элементов в зоне выявленных концентраторов напряжений. Это же относится и к местам приложения сосредоточенной нагрузки, постановки жестких связей (особенно запрещения угловых перемещений), вокруг отверстий, вырезов, углов и т.д.

►Если в используемой программе отсутствует возможность сглаживания, то, выполняя его вручную, рекомендуется переходную зону поделить на так называемые «фронты сгущения», располагаемые не чаще, чем через 2–3 ряда конечных элементов.

►Форма конечных элементов должна быть максимально приближенной к правильной (квадрат, куб, тетраэдр). При этом достигается наибольшая точность результатов. В различных конечных элементах соотношение сторон может варьироваться примерно до 1:4 – 1:5 без потери точности решения. Однако это справедливо отнюдь не для всех типов конечных элементов.

►Следует максимально избегать так называемой «игольчатой» формы конечных элементов, представляющей собой четырехугольник с большим соотношением сторон (порядка 1:10) или треугольный конечный элемент с одним из углов порядка 1–10°. Их применение серьезно искажает конечные результаты, приводя к существенной потере точности решения в зоне их расположения.

► Рекомендуется избегать применения треугольных и пирамидальных элементов и создавать сетки из четырехугольных элементов и из объемных гексаэдров («кирпичей»), так как они обычно дают более точное решение по сравнению с треугольными и пирамидальными элементами.

Большое значение в создании расчетной модели при расчете с применением метода конечных элементов имеет вопрос о дискретизации, т.е. разбивке на конечные элементы.