Подготовка специалистов, исследования и проектирование на базе программных средств семейства ЛИРА-САПР в НАПКС

Назрело противоречие между современным уровнем развития программных средств САПР и методами обучения и проектирования. В монографиях, коллективных работах рассматриваются теоретические основы и характеристика программных средств для решения различных задач анализа конструкций. Учебные пособия раскрывают интерфейс программных средств и подробно показывают примеры расчета. Методика анализа конструкций на базе современных профессиональных программных средств получает развитие в последние годы с начала XXI века.

Для сложных технических систем стала вырабатываться концепция такого системного анализа, в котором упор делается преимущественно на разработку новых диалектических принципов научного мышления, логического анализа ТС с учетом их взаимосвязей и противоречивых тенденций. При таком подходе на первый план выдвигаются уже не математические методы, а сама логика системного анализа, упорядочение процедуры принятия решений. А.С.Городецкий в своих работах отмечает, что «расчет – это способ рассуждения»; в старину инженера называли «рассуда». Подходы к системному анализу конструкций в САПР изложены в работах А.С. Городецкого.

Вместе с тем в настоящее время именно логическому анализу, приближенной оценке конструктивных решений, влияния дефектов уделяется недостаточно внимания в обучении, в проектировании и на протяжении всего жизненного цикла объекта строительства. Системный подход к обучению анализа задач результатов расчета, формирования документации не достаточно разработан и освещен в литературе. Только в последние годы начинают больше внимания уделять методика анализа и проектирования конструкций и несущих систем зданий на базе современных профессиональных программных средств.

Программное обеспечение по выражению академика Марчука – это материализованный интеллект человечества. И он сейчас стал общедоступным. Но высокоинтеллектуальная система может принести как пользу, так и нанести вред одинакового уровня в зависимости от осмысленного системного или формального ее применения.

В связи с этим меняется роль человека в человеко-машинной системе. От вычислительной работы надо переходить к аналитической. Собственно, и системный анализ, соотносившийся ранее в основном с математическими методами, возвращается к логическим методам. Это вызывает изменение всей системы: подготовка специалистов – исследования – проектирование. Причем это положение ни в коей мере не принижает роль программного обеспечения. Наоборот – системное его применение выводит на новую синергетическую эффективность.

Сформулируем гипотезы методики исследований, проектирования и преподавания в условиях информационных технологий. Основной метод исследований – верифицированный численный эксперимент. Рабочей гипотезой численного эксперимента является логический анализ приближенное аналитическое решение. Основным методом верификации является точечный физический эксперимент.

Применение современных программных комплексов без системного анализа не эффективно и опасно по последствиям. Примерами могут служить аварии: Обрушение зданий аквапарка и Басманного рынка в Москве, обрушение терминала в Аэропорте Орли (Франция), которые произошли вследствие методических ошибок допущенных при расчете конструкций.

Эффективное и надежное проектирование на базе современных программных средств можно осуществить только на основе системного подхода объединяющего на новом системном уровне известные методы анализа. Рекомендуемая последовательность: анализ физической сущности задачи, представление физической модели; анализ по аналогам; анализ приближенным ручным экспресс-расчетом; анализ приближенных и локальных моделей средствами САПР; уточненный анализ численных моделей для конечного проектирования.

Обязательным этапом исследований и проектирования является логический анализ на базе фундаментальных законов механики и приближенная оценка ожидаемого результата. Результаты этих операций являются и гипотезами и верификацией последующего компьютерного моделирования и расчетов.

В моделировании следует использовать ряд моделей: концептуальная, рабочая, фрагмент, заместитель, интегральная и т.п. Каждая модель должна сопровождаться предварительным анализом.

Метод обучения должен включать все перечисленные методы исследований и проектирования. Задачи при обучении должны быть многоуровневыми по сложности. Оценка знаний – по достигнутому уровню сложности задачи при стандартном качестве выполнения. Не допускается переход на следующий уровень сложности без осмысленного выполнения задачи предшествующего уровня.

Системный анализ позволяет определить место и функции человека в современной человеко-машинной системе автоматизированного проектирования в условиях информационной революции. Станислав Лемм в рассказе «Дознание» предсказал ситуацию борьбы человека и компьютера в слабо структурированной ситуации. Образное мышление, подсознание и приближенная оценка ситуации позволило человеку удержать ситуацию под контролем. Компьютер быстро и с высокой точностью считает, но его решения строго структурированы, заложенной программой. Программа сама по себе не может решить не структурированную задачу, а лишь предоставляет данные для принятия решения. Следовательно, функция человека в человеко-машинной системе – образная, приближенная оценка ситуации и построение гипотезы, которая затем может проверяться и уточняться на компьютере. Необходим переход к системному анализу, как к образу мышления. Однако заложить такой образ в полной мере можно только в процессе подготовки в школе, в Вузе. Следовательно, системный анализ непосредственно связывает развитие проектирования с развитием преподавания и обучения.

Рассмотрим некоторые примеры из практики проектирования, исследований и преподавания лаборатории САПР. Эти примеры будут характеризовать в значительной мере еще не полностью преодоленную бессистемность применяемых методов и некоторые успехи системного применения.

Системный подход частично реализован при проектировании сложной несущей системы здания на склоне в районе сейсмичностью 8 баллов (рис.1). Применен комплекс программных средств и методов. В частности метод интегральных элементов, моделирующих работу сваи в грунте. Однако мы видим, что исходной была не концептуальная упрощенная модель, а сразу точная рабочая модель. Это повлекло большие трудозатраты при учете мелких архитектурных изменений, и отработке методов моделирования.

Рис.1. Расчетная модель многоэтажного здания в сложных инженерно-геологических условиях. Стадия РП

Более четкий системный подход применен при анализе обеспечения сейсмостойкости в проекте многоэтажного здания (рис.2). Уже логический анализ выявил не достаточное количество диафрагм в продольном направлении. К тому же в проекте не было предусмотрено увеличение вертикального армирования у торцов диафрагм. Для обоснования расстановки дополнительных диафрагм была построена концептуальная модель в течение трех часов и на ней обоснована необходимость увеличение армирования и расстановка дополнительных диафрагм по крайним продольным осям. После этого концептуальная модель была доработана до детальной рабочей модели.

Рис.2. Концептуальная экспресс модель; добавление диафрагм; модель рабочего проектирования модель рабочего проектирования

Нам на экспертизу поступил проект 7-этажного каркасно-каменного здания в 8-бальной зоне. Проект был выполнен без расчета несущей системы здания по аналогу – 9-этажному зданию в 7-бальной зоне (рис.3).

Рис.3. Планы зданий: а) проектируемого 7-этажного в 8-бальной зоне, б) аналога - 9-этажного в 7-бальной зоне

Только в процессе разработки проекта возникли сомнения (логический анализ) в сейсмостойкости проектируемого здания. В таблице представлен выполненный нами логический сопоставительный анализ проектов с приближенной оценкой сейсмостойкости. Общее влияние факторов: К = 1.2х0.7х1.3х1.2/0.5 = 2.4. Главные растягивающие напряжения в стенах проектируемом здании будут в 2.4 раза больше, чем в здании аналоге. Гипотеза: сейсмостойкость проектируемого здания не обеспечена.

Таблица 1. Оценка влияния сейсмичности и конструктивных особенностей на значение главных растягивающих напряжений в стенах

Компьютерное моделирование проводилось в исследовательских целях для развития методики логического анализа. Мероприятия по обеспечению сейсмостойкости выяснились уже при логическом анализе. Необходимо развивать прикладные методики логического анализа. На рис.4 представлена общая модель проектирования на базе принципов системного анализа.

Рис.4. Модель системного проектирования

При внедрении круглопустотных плит перекрытий непрерывного экструзионного формования в сейсмических районах встал вопрос устройства выпусков арматуры. Было принято решение устраивать анкеры с выпусками в пустотах плит. Такое решение известно, однако не имело экспериментального обоснования. Исследования были выполнены в методической последовательности: логический анализ физической модели – аналитическая предварительная оценка анкеровки – предварительный численный эксперимент – верификация численного эксперимента физическим экспериментом – полнофакторный численный эксперимент – методика проектирования перекрытий.

Логический анализ. Рассмотрим процесс загружения выпуска арматуры. Арматурный стержень работает в упругой стадии. Бетон работает не линейно и деформации содержат пластическую часть. При загружении арматурного выпуска растягивающей нагрузкой в бетоне возникнут растягивающие напряжения, достигающие максимального значения в контактном слое бетона на некотором расстоянии от начала анкеровки. При достижении растягивающих напряжений в бетоне значения σ > 2f_ct,lim образуется первая пространственная трещина. При увеличении нагрузки образуются следующие трещины с некоторым шагом. Бетон в зоне трещинообразования будет разбит на блоки в виде конусов. В блоках в направлении вдоль трещин действуют главные сжимающие напряжения; в перпендикулярном направлении – главные растягивающие напряжения. По длине стержня растягивающие напряжения в стержне затухают. Достигается равновесие нагрузки и внутренних усилий.

Деформация арматуры линейная. Полные деформации бетона складываются из следующих компонент: 1 - упругие деформации, 2 - пластические деформации, 3 – после образования - ширина раскрытия трещин. Сцепление на некотором участке будет нарушено или, по крайней мере, ослаблено. Но, это будет компенсировано тем, что бетон контактного слоя (и в т.ч. между трещинами) станет работать не на отрыв, как в начале анкеровки, а в распор.

После достижения максимума нагрузка на выпуск начнет уменьшаться. Упруго деформированный выпуск арматуры станет сокращаться. Упругая часть деформаций бетона будет восстанавливаться. Когда упругие деформации бетона восстановятся и напряжения в бетоне обнулятся, напряжения и деформация арматуры еще не будут равны нолю и передадут на бетон усилия обратного знака. Напряжения от этих усилий будут возрастать, пока нагрузка на загруженном конце выпуска не станет равной нолю. Деформации от этих напряжений в бетоне также будут содержать упругую и неупругую части. Напряжения могут достичь такого значения, что появятся трещины уже от них. При последующем цикле загружения до закрытия этих трещин стенки блоков будут работать на излом, а затем на сжатие.

В результате рассмотренных процессов часть зоны анкеровки будет нарушена и образуется новая конструкция с уменьшенной длиной анкеровки. При последующих циклах нагрузки процесс уменьшения длины анкеровки будет продолжаться, что может привести к ее полному нарушению. Количество циклов нагрузки до разрушения зависит от ее уровня. Придет ли конструкция в равновесие или после некоторого количества циклов разрушится? Очевидно, это зависит от длины анкеровки и уровня нагрузки.

Таким образом, мы имеем дело не только с физической нелинейностью материалов, но и конструктивной нелинейностью, являющейся следствием физической. При численном моделировании необходимо учесть все перечисленные факторы. Приведенные выше рассуждения являются рабочей гипотезой численного моделирования.

Испытания численных моделей выполнялось при средних характеристиках материалов до разрушения. Средние характеристики определены обратным переходом от характеристических значений. Результаты испытаний были верифицированы физическим экспериментом при варьировании длины анкеровки и фиксированных характеристиках материалов. В испытаниях однократным нагружением до разрушения получено удовлетворительное соответствие между численными и физическими экспериментами. Но в предварительном физическом эксперименте с циклическим нагружением до напряжений 0.8 от предела текучести деформации при повторных нагружениях не затухают и нарастают на каждом цикле. Это подтверждает выводы логического анализа о конструктивной нелинейности и возможности разрушения на последующих циклах нагружения. Для исследования этого явления были выполнены численные эксперименты, результаты которых выявили зависимость между уровнем нагрузки и количеством циклов до разрушения (рис.5). В моделях использованы плоские конечные элементы (модели представители). Объемный характер работы моделировали увеличением толщины элементов каждого следующего слоя. Работу бетона контактного слоя в стесненных условиях моделировали увеличением прочности бетона на контакте с арматурой.

Рис.5. Исследование анкерного узла экструзионной плиты при сейсмическом воздействии на модели из плоских элементов

Модель из объемных конечных элементов (рис.6) разработана и испытана с целью верификации моделей - представителей из плоских элементов. Разрушающая нагрузка и характер разрушения подобны. Испытание выполнено при однократном нагружении. В последнее время, благодаря развитию технических и программных средств, расширились возможности выполнения численных экспериментов на моделях из объемных элементов, в т.ч. с моделированием циклической нагрузки.

В численных экспериментах прослеживается та же методическая последовательность, что и в проектировании: логический анализ – приближенная оценка ожидаемого результата – численное моделирования с использованием моделей различного уровня и назначения – предварительная верификация численных моделей – полнофакторный эксперимент на верифицированных моделях – точечная верификация результатов.

Рис.6. Испытание модели из объемных элементов

Из приведенных выше примеров видно, что структурно-параметрические схемы исследований и проектирования подобны. Следовательно, и в обучении необходимо применять эту методическую схему. Рассмотрим фрагмент лекции по приближенной оценке ожидаемого армирования неразрезной плиты опертой по контуру (рис.7).

Анализ на базе основных закономерностей позволяет быстро без применения технических средств рассмотреть физическую сущность задачи и получить осмысленное приближенное решение являющееся гипотезой численного моделирования.

Рис.7. Приближенная оценка ожидаемого результата расчета плиты опертой по контуру
Примечание: знак равенства в приближенных вычислениях применен условно

Выводы:
1. В условиях информационных технологий эффективна общая системная методическая последовательность в обучении, исследованиях и проектировании: логический анализ – предварительная оценка ожидаемого результата (гипотеза численного моделирования) – численное моделирование – верификация результатов.
2. При системном подходе важнейшими функциями специалиста становятся логический анализ задачи, приближенная оценка ожидаемых результатов и их верификация. Описание и результаты этих операций должны отражаться в проектной, исследовательской и проектной документации.
3. Необходимо дальнейшее развитие прикладных методов логического анализа и предварительной оценки ожидаемых результатов.

• ВУЗ