IDEA StatiCa в рабочем BIM процессе

Ключевые слова:

1. Расчёт стальных узлов за несколько минут
2. Преимущества IDEA StatiCa
3. Взаимодействие IDEA StatiCa с другими программами
4. Заключение

Аннотация

1  Расчёт стальных узлов за несколько минут

1.1  Автоматизация в расчётах и проектировании

В настоящее время трудно представить проектную организацию, не использующую компьютерные программы для автоматизации расчётов. Количество программ для инженерного анализа велико, и пользователь стоит перед трудным выбором. К основным свойствам расчетной программы, которые влияют на выбор пользователя, можно отнести:

• Надежность программы и достоверность результатов;
• Соответствие нормам и правилам, принятым на данной территории или в отрасли;
• Оперативность получения результатов и удобство работы.

Остановимся на расчётах узлов соединений элементов, которые являются одними из наиболее уязвимых частей конструктивных систем любых зданий и сооружений. Широко известные универсальные программно-вычислительные комплексы (ПВК) могут справиться с подобной задачей, но не могут удовлетворить вышеуказанным критериям в полной мере. Процесс создания модели узла, её расчёт и получение результатов могут занимать несколько часов, а работа с нестандартными узлами – несколько дней. Это связано с тем, что такие ПВК предназначены для расчёта конструктивных систем в целом, а не для анализа соединений отдельных элементов. Перед разработчиками программного обеспечения была поставлена непростая задача: реализация быстрого и точного расчёта узлов стальных конструкций, удовлетворяющего требованиям строительных норм и правил. Решить её первыми удалось специалистам из Чешской республики, где появилось специализированное программное обеспечение IDEA StatiCa. Теперь расчёт и проверки стальных узлов по нормам занимают всего несколько минут.

1.2  Расчёт стальных узлов в IDEA StatiCa

В IDEA StatiCa реализован так называемый компонентный метод конечных элементов (КМКЭ). Он был разработан кафедрой стальных и деревянных конструкций факультета Гражданского строительства Чешского технического университета в Праге и факультетом металлических и деревянных конструкций Технологического университета в Брно в рамках гранта на научно-исследовательскую работу и защищён патентом. КМКЭ сочетает в себе следующие преимущества:

• Надёжность получаемых результатов
  В процессе разработки моделей компонентов, реализованных в IDEA StatiCa, было выполнено большое количество тестовых расчётов, натурных и численных экспериментов. Результаты этой работы собраны в книгу «Benchmark cases for advanced design of structural steel connections» [2]. КМКЭ модель даёт инженеру точное и проверенное решение поставленной задачи.
• Универсальность
  КМКЭ подходит для большинства соединений различной конфигурации – опорных и рамных узлов, узлов покрытия и других, распространённых в инженерной практике. Пользователь не ограничен стандартной геометрией.
• Наглядность
  КМКЭ модель (рис. 1-1) даёт современному инженеру достаточное количество информации о поведении узла, его напряжённо-деформированном состоянии и коэффициентах использования отдельных компонентов, а также результатах общих проверок [1].

Кроме этого, программа обладает такими функциональными особенностями, как:

• Интуитивный пользовательский интерфейс;
• Встроенный редактор соединений;
• Пользовательские шаблоны узлов;
• Интерфейсы взаимодействия с CAD и FEA программами.

Рис. 1-1. КМКЭ модель сложного узла в IDEA StatiCa Connection

2  Преимущества IDEA StatiCa

2.1  Пользовательский интерфейс

Основным отличием IDEA StatiCa от других МКЭ программ является инженерный подход к созданию модели узла, что делает интерфейс программы простым и понятным. Рассмотрим этот вопрос более детально.

• Материалы и их модели

  Пользователь не тратит время на ввод диаграмм материалов с нужными характеристиками – в IDEA StatiCa есть встроенная библиотека марок стали, классов бетона, болтовых соединений и электродов. Инженер-конструктор работает с привычными ему понятиями.

• Конструирование узла

  Расчётная модель не собирается вручную из конечных элементов – стержней, пластин и объёмных тел. Все объекты модели создаются с помощью так называемых монтажных операций, понятных каждому инженеру-конструктору. К примеру, требуется соединить две детали сварным швом, для этого достаточно добавить операцию «Сварка» и сказать, какие детали нужно соединить. Создавать для этого конечные элементы или вводить в схему объединения перемещений не нужно [1].

• Загружения

  В IDEA StatiCa Connection пользователь работает с моделью узла, который выделяется из общей схемы. Поэтому действие отброшенной части заменяется внутренними усилиями, которые прикладываются к элементам, сходящимся в узле, и удовлетворяют фундаментальному принципу равновесия. Их можно задать вручную или импортировать из сторонних программ.

• Сетка конечных элементов и расчёт

  Чтобы выполнить расчёт модели, достаточно нажать на соответствующую кнопку ленты. Сетка конечных элементов будет сгенерирована автоматически. В IDEA StatiCa имеется 5 встроенных режимов расчёта: упругопластический (основной), линейный расчёт устойчивости, расчёт жёсткости прикрепления, расчёт с учётом появления пластического шарнира и расчёт несущей способности узла [1]).

• Отчёт по результатам

  После выполнения расчёта программа выдаёт не только таблицы с усилиями и напряжениями в отдельных элементах, но и необходимые коэффициенты использования компонентов узла, которые вычисляются в соответствии с СП 16.13330.2017 или другими нормами проектирования. Данные из отчёта можно экспортировать в DOC, PDF или DXF формат.

2.2  Встроенный редактор узлов

Рис. 2-1. Встроенный редактор узлов

2.3  Пользовательские шаблоны узлов

Рис. 2-2. Диспетчер шаблонов узлов IDEA StatiCa

3  Взаимодействие IDEA StatiCa с другими программами

Расчёт и проектирование стальных узлов обычно выполняются после компоновки схемы здания или сооружения и выполнения статического расчёта всей конструкции. Однако, даже имея современное специализированное ПО, на создание расчётной модели узла приходится тратить дополнительное время. Этого можно избежать, если задействовать созданные ранее CAD- и FEA-модели здания или сооружения из других программ. В итоге для конструирования будет использоваться одна расчётная модель, состоящая из двух других:

• Физической (геометрия узла и характеристики отдельных компонентов) и
• Аналитической (конечно-элементная модель с заданными жесткостями и нагрузками)

3.1  Создание расчётной модели с помощью функции импорта

Импорт модели узла в IDEA StatiCa Connection осуществляется с помощью встроенных интерфейсов с другими CAD и FEA программами. На данный момент разработаны приложения (плагины), реализующие связь со следующим ПО:

• CAD-программы: Tekla Structures, Advance Steel, Revit;
• FEA-программы: ETABS, SAP2000, Robot Structural Analysis и др.

Использование этих приложений позволяет:

• быстро создавать расчётную модель узла;
• работать сразу с несколькими узлами одновременно;
• импортировать сразу несколько загружений для одного узла.

Рис. 3-1. Модель сооружения в Tekla Structures и её расчётная схема в SAP2000

3.1.1  Импорт модели узла из Tekla Structures в IDEA StatiCa

Для импорта узла требуется открыть модель конструкции в Tekla Structures и запустить плагин «Code-check manager» с главной ленты (рис. 3-2):

Рис. 3-2. Интерфейс Tekla Structures. Плагин «Code-check manager»

Рис. 3-3. Главное окно плагина «Code-check manager»

3.1.2  Импорт модели узла из SAP2000 в IDEA StatiCa

После импорта из Tekla необходимо открыть модель этой же конструкции в SAP2000 и выполнить её расчёт, а затем – запустить приложение «Code-check manager» на панели инструментов:

Рис. 3-4. Интерфейс SAP2000. Плагин «Code-check manager»

3.1.3  Расчёт узла и создание отчёта по результатам

Для выполнения расчёта требуется объединить обе модели – физическую (из Tekla) и аналитическую (из SAP2000) в одну расчётную. Для этого в IDEA StatiCa открывается первый проект (физическая модель), затем нажимается кнопка ленты «Импорт из проекта» (рис. 3-5).

Рис. 3-5. Интерфейс IDEA StatiCa Connection. Кнопка импорта нагрузок

Рис. 3-6. Физическая, аналитическая и расчётная модели узла в IDEA StatiCa Connection

Рис. 3-7. Отчёт. Результаты проверки сварных швов

3.2  Облачный сервис для обмена данными

Представим следующую ситуацию: организация «А» занимается созданием информационной модели в Tekla или Revit, но не располагает техническими ресурсами для выполнения необходимых расчётов узлов и соединений. Этим занимается организация «Б» и выполняет расчёты в IDEA StatiCa Connection. Как выстроить процесс совместной работы наиболее эффективным образом? Даже в такой непростой ситуации это возможно благодаря облачному (онлайн) ресурсу «Viewer».

Рис. 3-8. Плагин «Viewer». Модель узла в облаке

Все файлы, необходимые для работы этого приложения, можно найти на официальном сайте разработчика в разделе загрузок. Для их использования не обязательно наличие IDEA StatiCa на рабочем компьютере.

Рис. 3-9. Отчёт. Ведомость материалов

3.3  Открытый API

4  Заключение

Список использованной литературы

1. Р. В. Бароев. Расчёт узлов стальных конструкций компонентным методом конечных элементов [Электронный ресурс] / Р. В. Бароев – Электрон. текстовые дан. – Режим доступа: http://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=20749, свободный.
2. Benchmark cases for advanced design of structural steel connections / FrantisekWald et al. – Czech Technical University in Prague, 2019 – 230 c.