Модули ПК ЛИРА 10

1. Модули Физическая и Геометрическая нелинейность

2. Модуль Монтаж

3. Модуль Динамика плюс

4. Модуль Грунт

5. Модуль Вариация моделей

6. Модуль Мост

7. Модуль Pushover Analysis

8. Модуль Теплопроводность

9. Модуль Сечения

10. Модуль Фильтрация

Модули Физическая и Геометрическая нелинейность

Нелинейный процессор предназначен для решения физически и геометрически нелинейных задач, а также задач с наличием конструктивной нелинейности и предварительного напряжения.

В физически нелинейных задачах отсутствует линейная зависимость между напряжениями и деформациями. Материал конструкции подчиняется нелинейному закону деформирования (нелинейная упругость). Закон деформирования может быть симметричным и несимметричным – с различными пределами сопротивления растяжению и сжатию. Решение этих задач производится шаговым методом.

Модуль нелинейностей ПК ЛИРА 10 позволяет моделировать нелинейную работу материала типа железобетон, где отдельно задаются диаграммы деформирования для бетона и арматуры, площади арматурных стержней, при этом, задаются в параметрах сечения.

Нелинейный материал типа железобетон

В геометрически нелинейных задачах отсутствует линейная зависимость между деформациями и перемещениями. На практике наибольшее распространение имеет случай больших перемещений при малых деформациях. Решение этих задач производится шаговым методом, причем шаг выбирается автоматически.

Задание шагового загружения

В задачах конструктивной нелинейности имеет место изменение расчетной схемы по мере деформирования конструкции. Так, например, в контактных задачах при достижении некоторой точкой конструкции определенной величины перемещения возникает контакт этой точки с опорой.

При решении задач конструктивной нелинейности, а также при решении задач с односторонними связями и задач, учитывающих наличие трения, применяется шагово-итерационный метод.

Для решения нелинейных задач процессор организует пошаговое нагружение конструкции и обеспечивает решение линеаризованной системы уравнений на каждом шаге для текущего приращения вектора узловых нагрузок, сформированного для конкретного нагружения.

В версии 10.8 библиотека конечных элементов программного комплекса ЛИРА дополнена новыми физически нелинейными изгибаемыми стержневыми (501, 504, 510) и оболочечными: тонкой (542-544) и толстой (546-550) плиты конечными элементами.

Благодаря этому становится возможным выполнять полноценный нелинейный динамический расчет в системе ДИНАМИКА+ во временной области с применением инструментальных или синтезированных акселерограмм согласно требованиям СП 14.13330.2014 “Строительство в сейсмических районах”, п.5.2.2.

Модуль Монтаж

В настоящее время большинство расчетов строительных конструкций, зданий и сооружений проводятся без учета поэтапности возведения, что не всегда верно. Процесс фактического строительства в общем случае является многоэтапным и тесно связан с последовательностью выполняемых операций на строительной площадке. При этом, в том или ином порядке, могут выполняться работы по установке и удалению некоторых элементов системы, установке и удалению дополнительных грузов, изменению состояния каких-либо связей. Кроме того, бетон набирает свою полную прочность, которая закладывается в расчетах, не мгновенно, а с течением времени, возможны случаи изменения прочности железобетонных элементов в результате замораживания – размораживания.

Для корректного учета вышеуказанных замечаний был создан модуль Монтаж, который позволяет провести компьютерное моделирование процесса возведения конструкции, проследив последовательное изменение конструктивной схемы, установку и снятие монтажных нагрузок. Модуль Монтаж так же позволяет создавать демонтируемые стадии, в рамках которых, вы можете как демонтировать конструкции, так и убирать нагрузки, например, демонтаж временного крана.

На каждой стадии возведения производится расчет соответствующей конструктивной схемы здания, содержащей элементы, смонтированные (или демонтированные) к этому моменту. При этом производится учет текущих прочности и модуля деформации бетона, а также наличия временных стоек опалубки. Если проектной арматуры или проектного железобетонного сечения оказывается недостаточно, то необходимы корректировки проектных решений.

Систему Монтаж так же можно использовать при моделировании аварийных воздействий при расчете на прогрессирующее обрушение, демонтируя интересующие элементы схемы. Все возможные сценарии аварийных ситуаций (разные расчетные схемы) можно объединить в рамках системы Вариация моделей для определения сводной таблицы РСУ.

Моделируемое здание может иметь неограниченное количество этажей.

Кроме того, модуль Монтаж позволяет проводить расчет в физически - и геометрически нелинейной постановке на определенных стадиях возведения.

В рамках применения системы Монтаж имеется возможность моделировать процесс предварительного натяжения конструкции (вантовые конструкции, анкера шпунтовых ограждений и др.).

Модуль Монтаж можно использовать с такими модулями, как Динамика плюс и модуль нелинейных расчетов, что позволяет охватить значительно шире круг решаемых задач.

Модуль Динамика плюс

Расчетно-графическая система Динамика плюс реализует метод прямого интегрирования уравнений движения по времени, что позволяет производить компьютерное моделирование отклика конструкции на динамические воздействия как во время воздействия, так и после его завершения. Система Динамика плюс применяется для решения линейных и нелинейных задач.

Библиотека конечных элементов программного комплекса ЛИРА 10.8 дополнена новыми физически нелинейными изгибаемыми стержневыми (501, 504, 510) и оболочечными: тонкой (542-544) и толстой (546-550) плиты конечными элементами.

Благодаря этому становится возможным выполнять полноценный нелинейный динамический расчет в системе Динамика+ во временной области с применением инструментальных или синтезированных акселерограмм согласно требованиям СП 14.13330.2014 “Строительство в сейсмических районах”, п.5.2.2.

К расчету задач динамики во времени допускаются следующие типы конечных элементов:

• все линейные элементы;
• односторонние связи (без трения);
• элементы грунта – плоские и объемные;
• физически нелинейные элементы;
• объемные нелинейные элементы;
• все геометрически нелинейные.

В результате расчета определяются перемещения, скорости и ускорения узлов, а также усилия и напряжения в элементах, вычисленные во все моменты времени.

Важной особенностью работы модуля Динамика+ является возможность учёта демпфирования.

Динамическая нагрузка, позволяющая пользователю задать общий закон изменения сил во времени. Может быть задана несколькими способами: задание закона действия вручную, чтение из файла.

В отличие от методов спектрального анализа, модуль Динамика+ позволяет получать точные результаты расчетов в реальных задачах на различные динамические воздействия, что особенно актуально для уникальных зданий и сооружений (стадионы, высотные здания, большепролетные конструкции).

Модуль Грунт

Модуль Грунт предназначен для вычисления коэффициентов постели грунтового основания, вычисления жесткостных характеристик свайных оснований, определения несущей способности свай по грунту с помощью задания и редактирования параметров геологических условий площадок строительства.

В модуле Грунт существует возможность расчета коэффициентов постели для стержневых элементов, например, при моделировании ленточного фундамента, при этом можно использовать и пластинчатые элементы. В режиме назначения упругого основания, добавлена возможность извлекать ширину опирания из сечения стержня. Для таких стержней можно использовать подбор/проверку армирования без ограничений. Так же реализован импорт штамповых нагрузок на грунт из файлов формата dxf.

Модуль Грунт позволяет учесть при проектировании зданий и сооружений взаимодействие с податливым грунтовым основанием, путем создания модели грунтового основания с заданной информацией о физико-механических свойствах грунтового массива, полученных по данным инженерно-геологических изысканий площадки строительства (расположение и характеристики скважин). В соответствии с этой моделью по всей области фундаментов определяются значения вертикальных напряжений, в том числе, с учетом соседних уже существующих или строящихся зданий, а также вычисляется глубина сжимаемой толщи и осадка.

Осадки могут быть вычислены по схеме линейно упругого полупространства в соответствии с положениями СП 22.13330.2011 (2016), СП 24.13330.2011.

Коэффициенты постели могут быть вычислены по трем методам. Подробнее здесь.

Расчет свайных фундаментов производится для одиночной сваи, свайного куста и условного фундамента согласно положений СП 24.13330.2011.

Величины коэффициентов постели, жесткостей свай для каждого конечного элемента автоматически передаются в общую аналитическую модель для дальнейшего расчета конструкций совместно с грунтовым основанием.

Модуль Грунт является частью единой интегрированной среды ПК ЛИРА 10, переход между различными модулями осуществляется в рамках одной программы, что позволяет экономить время и оперативно менять исходные данные для расчетов.

Модуль Вариация моделей

Позволяет объединять результаты расчетов нескольких схем с одинаковой топологией. Объединение результатов может быть произведено как на уровне унификации уже вычисленных РСУ, так и на уровне объединения вычисленных усилий и перемещений от загружений в разных задачах, с дальнейшим вычислением РСУ и РСН.

Результирующие РСУ и РСН используются в дальнейшем для расчета в конструирующих системах металла и железобетона.

В рамках одного расчета модуль Вариация моделей позволяет варьировать не только нагрузкой, но и жесткостными характеристиками элементов, условиями примыкания, жесткостными характеристиками грунтов.

Модуль Вариация моделей позволяет также объединять загружения в сочетания, входящие в состав разных расчетных моделей.

Данный модуль чаще всего используется при расчетах объектов высотного и промышленного строительства.

Модуль Мост

Модуль Мост предназначен для вычисления и графического отображения поверхностей/линий влияния, определения усилий от действия подвижных нагрузок и вычисления сочетаний усилий от статических загружений и от действия подвижных нагрузок.

Модуль Мост позволяет производить расчеты мостовых сооружений, моделирование ребристых пролетных строений, заданий временных подвижных нагрузок от пешеходов, автотранспорта (АК), одиночной колесной нагрузки (НК).

На основе полученных усилий составляются расчетные сочетания усилий и/или расчетные сочетания нагрузок.

В новой системе Мост стало возможным производить расчеты многоярусных мостов.

В системе Мост имеются широкие возможности создания траекторий движения: по координатам (вручную), используя привязку (к узлам, сети построения, строительным осям и другим точкам залипания), а также копируя уже созданные траектории. Таким образом, значительно упрощается задание исходных данных для многополосных и нетиповых мостов.

Модуль Pushover Analysis

Нелинейный статический анализ (Pushover Analysis) является частью характеристического метода сейсмического проектирования (Performance-Based Seismic Design) конструкций и сооружений. Суть этой философии сейсмического проектирования заключается в том, что при землетрясениях поведение конструкции и ее повреждения в основном зависят от деформаций, спровоцированных сейсмическим воздействием, а не от усилий в элементах, которые возникают от эквивалентного сейсмического воздействия. Ключевыми параметрами в характеристическом методе сейсмического проектирования являются «требование» и «несущая способность». «Требование» отображает сейсмическое колебание грунта, а «несущая способность» – способность сопротивляться «сейсмическому требованию». Конструкция должна обладать несущей способностью для сопротивления «сейсмическому требованию» для удовлетворения целей проектирования.

Нелинейная статическая процедура – это удобное средство для оценки несущей способности конструкций в ситуациях, когда прямой динамический метод является слишком сложным и трудоемким в применении к данной схеме, либо при анализе сейсмостойкости уже существующих зданий.

Во время выполнения процедуры нелинейного статического анализа конструкция подвергается нагрузке от собственного веса и монотонно растущему воздействию, которое задается в виде силовой нагрузки или перемещения, и которое являет собою эквивалентное сейсмическое воздействие.

В большинстве разработанных методов статической нелинейной процедуры многомассовая расчетная модель (МРМ) преобразуется в эквивалентную одномассовую систему (ЭОМС) для упрощения и большего удобства расчета. Использование ЭОМС дает возможность избежать необходимости выполнения нелинейного динамического расчета исходной многомассовой расчетной модели. Результатом анализа является спектр несущей способности (кривая pushover), который дает важную информацию об общей прочности и податливости конструкции. Использование спектра несущей способности дает возможность вычислить неупругое перемещение ЭОМС – целевое перемещение, которое соответствует сейсмическому воздействию, выраженному через «сейсмическое требование». После расчета эквивалентной одномассовой системы происходит возвращение к МРМ с вычислением всех необходимых перемещений и анализом несущей способности элементов конструкции.

В ПК ЛИРА 10.8 реализованы 4 варианта нелинейного статического расчета (Pushover Analysis), отличающиеся методиками получения спектра несущей способности и последующей обработкой полученных результатов, согласно следующих нормативных документов:

1. EN 1998-1:2004;
2. ДБН В.1.1-12:2014;
3. СТО НИУ МГСУ 2015.

Методики получения спектра несущей способности могут отличаться осями, в которых определяется первоначальный спектр несущей способности конструкции. Спектр несущей способности конструкции для EN 1998-1:2004 и СТО НИУ МГСУ 2015 представляет собой зависимость сдвигающей силы в основании от горизонтальной реакции (перемещения) конструкции. А первоначальный спектр несущей способности конструкции для ДБН В.1.1-12:2014 представляет собой зависимость в осях обобщенное спектральное ускорение – обобщенное спектральное перемещение, вычисленных на каждом шаге нагружения. Кроме того,

В ПК ЛИРА 10.8 для сейсмического воздействия по EN 1998-1:2004 нелинейный статический расчет был расширен для национальных приложений, а именно:

1. ДБН В.1.1-12:2014;
2. СНиП РК 2.03-30-2006;
3. СП 14.13330.2014;
4. СТО НИУ МГСУ 2015;
5. СП РК 2.03-30-2017;
6. Для усредненного спектрального коэффициента динамичности по пакету акселерограмм;
7. Для заданного пользователем спектра реакций из произвольного нормативного документа.

Рис. 1 Иллюстрация идеи определения коэффициента редукции

Рис. 2 Реализация метода в ПК ЛИРА 10

Модуль Теплопроводность

Новый тип задачи позволяет производить расчет температурного поля в конструкциях с произвольной геометрией для дальнейшего определения напряженно-деформированного состояния от действия вычисленной температуры. Также расчет выполняется, как с учетом потери устойчивости, так и с учетом изменения геометрии конструкции (Монтаж + Теплопроводность).

Для моделирования задачи теплопроводности в ПК ЛИРА 10 реализованы следующие нововведения:

• Добавлены теплофизические свойства материалов для расчета температурного поля;
• Библиотека материалов пополнена материалами поверхностного теплообмена;
• Добавлены конечные элементы стационарной задачи теплопроводности и поверхностного теплообмена;
• В библиотеке загружений созданы новые типы загружения: «Вычисление температурного поля»; «Стадия нелинейного загружения с вычислением температурного поля»; «Стадия возведения сооружения с вычислением температурного поля»;
• Добавлены новые типы нагрузок стационарной задачи теплопроводности: заданная температура и сосредоточенный тепловой поток в узлах; сосредоточенные, равномерно распределенные и неравномерно распределенные тепловые потоки в элементах; для элементов поверхностного теплообмена – температура окружающей среды.

Новые конечные элементы дают возможность смоделировать температурное взаимодействие конструкции с внешней средой, а новые виды нагрузок – моделировать различные типы температурного воздействия.

Данные нововведения позволяют смоделировать различные ситуации поведения конструкции (от простого нагрева до конвекции) как в двумерной, так и в пространственной постановках.

В результатах расчета доступна возможность оценить распределение температуры по конструкции, а также перемещения и напряжения (в том числе главные и эквивалентные), которые вызваны температурными деформациями.

Модуль Сечения

Реализованный в ПК ЛИРА 10 тип задачи «Определение упруго-геометрических характеристик композитного поперечного сечения стержня», позволяет описать произвольные сечения с применением библиотеки материалов и выполнить вычисление всех необходимых жесткостных, пластических, инерционных и приведенных характеристик. Такое сечение может назначаться стержневым конечным элементам расчетной модели, с возможностью анализа распределения напряжений по сечению. Для мономатериального бетонного сечения реализована возможность подбора необходимого или проверки заданного армирования.

Реализация расчета

Расчет выполняется методом конечных элементов. Для моделирования:

• Тонкостенных фрагментов сечения используется двухузловой конечный элемент;
• Сплошных фрагментов сечения – трех-, четырех-, шести- и восьмиузловые конечные элементы.

Вычисляются следующие характеристики сечения:

• Упруго-геометрические характеристики сечения в системах координат:
  • глобальной;
  • вспомогательной (центральная параллельная глобальной);
  • главной центральной;
• Пластические характеристики;
• Крутильные характеристики;
• Сдвиговые характеристики;
• Жесткостные характеристики сечения в главной центральной системе координат;
• Массово-инерционные характеристики;
• Приведенные характеристики материала.

Модуль Фильтрация

Учёт фильтрации грунтовых вод является важной задачей во многих областях строительства (геотехника, гидротехника, экология).

Модуль Стационарная задача фильтрации позволяет произвести расчет поля давления и скорости фильтрации грунтовых вод в расчетных схемах с произвольной геометрией для дальнейшего определения напряженно-деформированного состояния от действия вычисленного порового давления. Расчет выполняется, как с учетом физически нелинейных свойств грунта, так и с учетом изменения геометрии конструкции (Монтаж + Фильтрация). Кроме этого реализована возможность совмещения расчета фильтрации с расчетом стационарной теплопроводности в рамках одной задачи.

Для моделирования задачи фильтрации в ПК ЛИРА 10.8 реализованы следующие нововведения:

• Для типов материалов плоского и объемного грунта добавлены фильтрационные свойства;
• В библиотеке загружений созданы новые типы загружения: «Стадия нелинейного загружения с расчетом фильтрации»; «Стадия возведения сооружения с расчетом фильтрации»;
• Добавлен новый тип узловой нагрузки: давление жидкости для фильтрации, которую можно назначать как на отдельные узлы, так и на группу узлов с линейным или заданным функцией законом распределения;
• Добавлен новый тип закрепления, используемый в расчетах фильтрации.

Данные нововведения позволяют смоделировать различные ситуации поведения конструкции как в двумерной, так и в пространственной постановках.

В результатах расчета доступна возможность оценить распределение давления и скорости фильтрации в грунтовом массиве, направление фильтрации, а также перемещения и напряжения, которые вызваны действием вычисленного порового давления.