автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Автоматизация проектирования без стальных колонн на персональном компьютере

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РФ Московский Государственный Университет Путей Сообщения I У И И Т )

на правах рукописи

Шелехсв Александр Евгеньевич

Автоматизация проектирования баз стальных колонн на персональном компьютере

Специальность

05.23.01 Строительные конструкции, здания >1 сооружения

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иссква 1993 г.

Работа выполнена в 1!осковском Государственной Университете Путей Сообщения (Щ5П).

Научный руководитель - член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор Шапошников H.H.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Геыаерлияг Г. А.

кандидат технических паук, с.н.с. Римский P.A.

Ведущая организация - ЦГОШпроегатальконструвдш 'им, И.П. ItejaniutODa.

'Заднта состоится "_"_ 1994 г.

в_ час. на заседании специализированного совета

Д 114.05.08 при Московском Государственном Ухпзерсигете Путей Сообщения (ШИТ) по адресу: 101475, ГСП, Москва А-Б5 уд.Образцова д. 15. ауд. _ .

С диссертацией маано ознакомится в библиотеке института.

Автореферат разослал "_"_1094 г.

Отзшз на автореферат заверенный початья, просим направлять по адрооу института.

Ученый секретарь специализированного совета /V] ц В.И. Клхжии

kui.

- з -

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Автоматизация проектирования - важнейшая проблема современного научно-технического развития.

Перспективы более широкого использования средств вычислительной техники в архитектурно-строительном проектировании связаны с дальнейшим ростом числа технологических линий автоматизированного проектирования, с расширением их функций по реализации рааличных частей проекта и объединением в интегрированные системы, обеспечивающие выполнение всего комплекса разрабатываемой проектной документации.

Среди больного разнообразия строительных конструкций особое внимание заслуживают каркасы одноэтатаых производственных зданий, удельный вес которых в строительстве составляет около 80 X. При этой на колонны расходуется 30 - 40 X материала, затрачиваемого на изготовление каркаса здания.

Важнейшим элементом колонны является база - часть колонны, сопрягающаяся с фундаментом.

Конструктивное решение сопряжения металлических колонн с фундаментом остается практически неизменным на протяжении неасогьких десятилетий. Неизменными остаются основные элементы базы стальной колонны, передающие нагрузку на фундамент: опорная плита, траверсы, ребра, анкерные болты, анкерные плитки.

Между тем только за счет выбора рациональных параметров зданий, сооружений и их комплексов можно значительно сократить трудовые и материальные ресурсы во время строительства, эксплуатационные расходы, сроки возведения объектов.

Таким образом, задачи рационального выбора параметров встают перед проектировщиками во всей своей сложности, со всем многообразием противоречивых требований, которым нужно разумно удовлет-

ворить. Между тем выполненные до сих лор исследования позволяют получить лишь приближенные решения, удовлетворяющие какой-то части требований; в обязательном порядке удовлетворяются условия надежности ( прочности, жесткости, устойчивости ) и по мере возможности другие условия.

В то хе время эффективность создания и работы систем автоматизированного проектирования во многом зависит от уровня профессиональной подготовки инженеров-строителей, т.к. конечный результат работы этих систем (проект) складывается не только из данных, представленных в ЭВМ, но из всего комплекса значим, которым владеют специалист.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: создание САПР Саз колонн, выявление на основе автоматизированного проектирования и более точного расчета на 3834 рациональных параметров баз стальных колонн.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА состоит в разработке САПР баз стальных колонн, комплексно решающей задачу автоматизированного проектирования.

С использованием ШЭ проведено исследование напряженно-деформированного состояния элементов конструкции базы колонны, позволившее более точно определить картину распределения напряжений в узле.

Разработана автоматизированная генерация исходных данных для интегрированной системы суперэлеыентного расчета на прочность.

ДОСТОВЕРНОСТЬ полученных результатов обеспечивается применением математически обоснованных численных алгоритмов, единственность решения которых доказана большим количеством решенных тестовых задач.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в том, что на базе ое результатов можно определять рациональные параметры элементов

баз стальных колонн, поскольку разработка доведена до стадии системы программ для ЭВМ и рекомендаций для проектирования. Оперативному решению задачи при помощи ЭВМ способствует предусмотренный в системе диалоговый режим. НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

результаты разработки, исследования и внедрения системы автоматизированного проектирования на ЭВМ баз стальных колонн,

методика определения НДС в элементах конструкции узла, результаты численных исследований.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ: Основные положения и результаты работы были доложены на кафедре "САПР транспортных конструкции и сооружений I.CCíTa" (1993 г.); на научной конференции, посвященной 80-ле-TJG0 присвоения МШу статуса института путей сообщения. По теме диссертации опубликовано три работы.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 130 страниц мазинопис-ного текста, в том числе 1 таблицу, 40 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, изложена цель работы, научная новизна, практическая ценность, обоснована достоверность результатов работы, приведено краткое содер.чалие четырех глав.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ помецен краткий с<5зор теоретических и экспериментальных работ, посвященных вопросам работы сопряжения баз стальных колонн с фундаментом. Tarase рассмотрены существующие типовые решения баз стальных колонн и выполнен анализ методов их расчета, применяемых в проектировании. Сформулированы задачи и цеди иссседоэания.

- б -

ВТОРАЯ ГЛАВА посвяцена вопросам автоматизации архитектурно-строительного проектирования.

В архитектурно-строительном проектировании ЭВМ начали применяться с конца 50-х годов. На первом этапе разрабатывались системы автоматизированного проектирования (САПР), решающие локальнш задачи, в основном расчетного характера. В настоящее время конечной целью САПР является автоматизированный выпуск полного комплекта проектно-сметной документации.

Значительный объем проектных работ связан с выполнением расчетов вспомогательных конструкций, не находящих явного отражения в расчетной схеме объекта проектирования в целом. Дри проектировании каркасов промышленных зданий трудоемкость этих работ составляет более 201 общего объема.

Далее опиаем первую чаоть программы автоматизированного проектирования баз стальных колонн, разработанную в рамках диссертационной работы. Программа расчета баз колонн автоматизирует подбор элементов баз центрально и внецелтрешю нагруженных колонн. В программе подбираются рациональные параметры конструктивного ре- . пения при заданный расчетных нагрузках, размерах стержня колонны, марках сталей и бетона с учетом требований СИиП I1-23-81. При составлении алгоритма использовались положения современного инженерного расчета и конструктивны© Форш, применяемые в промышленном проектировании баз стальных колонн.

Применение вычислительной техники для решения рассматривавши задач имеет особенности. Расчеты должны проводиться непосредственно на рабочем месте конструктора, так как только конструктор в состоянии оценить результаты расчетов. Поэтому предпочтительно создание программных средств, ориентированных на автоматизированные рабочие песта конструктора, оснащенные персональными

компьютерами.

При создании системы были поставлены две задачи: максимально облегчить процесс подготовки и ввода исходных данных для проведения' расчетов и реализовать наиболее полно дружественный интерфейс между конструктором и компьютером.

Взаимодействие (диалог) пользователя с ПЭВМ обеспечивается специально разработанным интерфейсом, который позволяет эксплуатировать программу инженеру-проектировщику с минимальными навыками работы на ПЭВМ. Интерфейс - предусматривает выдачу "подсказок", использование управляющих меюо, стандартное использование клавищ клавиатуры.

После вызова программы, на экран подается базовое окно программы "БАЗА", показанное на рис.1. В этом окне определяется тип рассчитываемой базы колонны. Выполняемый пункт выделяется на экране цветным фоном. Смена текущего пункта производится натсатием одной из клавиш управления движением курсора. Начсатие клавиши "Enter" инициализирует выполнение действий, связанных с текущим пунктом. Выполнение пунктов исходного меню заключается в подаче на экран следующего меню, содержащего пиктограммы типов сечений баз колонн для расчета (рис.2.).

В каждом из вышеописанных типов сечении есть маркер (порядковый номер), выполняемый маркер выделяется цветным фоном. 'Выполнение осуществляется нажатием клавши "Enter". После выполнения одного из пунктов на экран подается таблица содержащая исходные данные для расчета ранее выбранного типа базы колонны.

После выбора маркера из меню, изображенного на рис.2, на экране появится таблица исходных данных для расчета базы колонны (рис.3). Ввод данных в таблицу осуществляется при помощи клавиатуры. При этом, как во многих редакторах текстов, можно исподьзо-

Центрально сжатые Внецентренно сжатые Выход

Рис.1 Базовое окно програшы.

с4:

1 I

1 3

1

1 1

□6 с

1_и

9

7

Рис.2 Типы сечений Саз колонн.

пшфр колонны

нагрузка кН: О-ОО, мсгмент кН м: 0.0, размеры в мм

N профиля высота проф. тир.полки ТОЛЩ, полки толщ.стенки

0.00 0.00 0.00 0.00

материал базы Ry- 0.0, Run- 0.0 СкН/см кв.3

класс бетона фундамента Ri> 0.00 СкН/см кв.]

0.0 - расч.сопр.угл.сварного шва срезу по металлу.шва [Rwf3 0.0 - козфф.усл.раб.св.соед.угл.тва при расч.по мет.шваСВП 0.00 - то же, но при расч.по мет.границ сплавления CBz] 0.0 - расчетное сопротивление анкерных болтов СкН/см кв.] О - номер схеш расположения фундаментных болтов

ТаЬ-мезш

F2-результаты расчета F3-калькулятор

Рзсчет AcadlO Шифр Выход

Рис.З Таблица исходти данных внецентренно-сжатой колонны.

шифр колонны

Шифр Пояснения

колонна Цс 1

колонна Цс 2

колонна Цс б

Ins-добавить Enter-выбрать Del-удалить

Рис.4 База данных шифров колони.

Вводите новый шифр

ш:фр пояснение

Рис.5 Меню для записи новых исходных данных.

вать клавиши "Ins", "Del" и "Backspace" для включения режима вставки и удаления символов. Для перехода от одного пункта к другому используются клавиши "Enter", а для возврата к предыдущему -"Esc". Программа содержит развернутую систему подсказок, которые вызываются клавшей F1. принятой для этих целей в бсиашксгЕе современных программ.

Вернемся к правилам заполнения таблицы меню исходных данных для расчета. Первая строка исходных данных "сшфр колонны" слукит для вызова данных хранящихся на диске задач (ркс.4). Для записи новых данных служит клавиша "Ins", которая подает на экран окно (рис.5), удаление данных производится при помощи аналогичного окна, которое вызывается после нажатия клавиш "Del". Сочетание возможности хранения ранее заданной исходной информации о рассчитываемых объектах с программной реализацией расчетов позволяет исключить необходимость повторного описания конструкции при расчете, с измененными параметрами.

Заполнение таблица исходными данными мозьет производиться пользователем с клавиатуры или из базы данных, хранящейся в памяти ЭВМ. База данных хранящаяся в вычислительной машине, вызывается автоматически после накатил клавиши "Enter"„ если гекущий пункт исходных дачных не заполнен. При нажатии "Enter" в строке • "N профиля" на экране появится таблица (рис.6) сортамента двутавровых профилей с геометрическими характеристиками сечений. Выбор осуществляется нажатием клавиши "Enter", Выбранные значения будут автоматически перенесены в строку ввода. Подобный выбор является одним из элементов диалога, где варианты возможных исходных данных хранятся в памяти ЭВМ; кроме очевидного удобства, в таком подходе исключена возможность досадных опечаток и неточностей. Описанная база данных может быть сокращена или расширена по »ела-

Характеристики сечения

N номер профиля всё размеры даны в мм

высота проф. шир.полки толщ.полки толщ, стенки

701112 691.00 320.00 23.00 15.00

7011)3 700.00 320.00 27.50 18.00

70Ш4 708.00 320.00 31.60 20.50

70Ш5 718.00 320.00 36.50 23.00

80Б1 791.00 280.00 17.00 13.50

80Б2 798.00 280.00 20.50 14.00

90Б1 863.00 300.00 18.50 15.00

90Б2 000.00 300.00 22.00 15.50

Ins-добавить Enter-выбрать Del-удалить

Рис.6 База данных геометрических характеристик сечений.

Характеристики сечения

Номер профиля :

Высота профиля: 0.00

Ширина полки : 0.00

Толцина полки : 0.00

Толщина стенки: 0.00

Рис.7 Меня для дополнения базы данных сечений.

ним пользователя при помощи соответствующих клавиш "Ins" и "Del". При нажатии клавиши "Ins" на экран подается таблица (рис.7), при заполнении которой происходит дополнение записей в базу данных, сокращение базы данных происходит после вызова на экран таблицы удаляемого "N профиля" (рис.8) при нажатии клавиш "Del".

Аналогичным образом построены и все ниде описанные баги данных.

Переход в следующий пункт исходных данных "материал базы" происходит автоматически после заполнения предыдущего. Этот пунст ш.т.-

но заполнить вручную или вызвать базу данных марок сталей, содор-' *

кащую значения расчетного сопротивления стали растяжек®), сгхлт, изгибу по пределу текучести и значения временного сопротивления стали разрыву. Далее - заполнение пункта материала фундамента классов бетона и значение расчетного сопротивления сжатию. Следующая база данных содержит значения расчетного сопротивления металла швов сварных соединений с угловыми швами в зависимости от типа выбранного электрода или марки сварочной проволоки. Пункты исходных данных "коэффициентов условий работы углового сварного шва срезу по металлу шва и по металлу границы сплавления" заполняются с клавиатуры иди из базы данных в зависимости от вида сварки (ручной, автоматической или полуавтоматической). Пункт исходных данных "расчетное сопротивление анкерных болтов" также может быть заполнен из базы данных, где в зависимости от марки стали выбирается расчетное сопротивление растяжению анкерных болтов. Выход на последний пункт таблицы исходных данных подает на экран рисунок с различными схемами расположения анкерных болтов (рис.9). Пользователю нужно выбрать одну из представленных схем.

После заполнения таблицы исходных данных курсор автоматически переходит в меню управляющих команд. При выборе команды

Удаляю 111 Еэс-отказ

Номер профиля : 100Б1

Высота профиля: 990.00

Ширина полки : 320.00

Толщина полки : 21.00

Толщина стенки: 16.00

Рис.8 Мен» для удаления значений из базы данных.

Схеиа расположения анкерных болтов

1 2 3 4

0 о 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 о 0 0 0 0 0

Выберите номер схемы

Рис.9 .База данных схем расположения фундаментных болтов.

Результаты расчета

440 - Ширина плиты, мм 953 - Длина плиты, мм 37 - Толщина плиты, мм 14 - Толщина траверсы, мм 484 - Высота траверсы, мм 1,493 - Длина траверсы, мм 240 - Ширина анкерной плитки, мм 506 - Длина анкерной плитки, мм 37 - Толщина анкерной плитки, мм 48 - Диаметр анкерного болта, мм

Рис.10 Окно результатов расчета.

"расчет" загружается программа счета, результаты расчета высвечиваются на экран дисплея автоматически после его гаданчания (рис.10). Выбор команды "асас110" загружает пакет Автокод и программу для получения чертежа рассчитанной базы колонны. Полученный чертеж (рис.11) можно редактировать средствами Автокада или вывести на графическое устройство для получения твердой копии.

Экономическая эффективность системы определяется экономией металла и снижением стоимости, а также повышением производительности труда при проектировании. Прямым сопоставлением результатов проектирования, полученных вручную и с применением средств САПР, показано, что автоматизация позволяет экономить до 10% материала.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ рассматриваются теоретические исследования по уточнению расчетной модели сопряжения базы стальной колонны и фундамента.

Наиболее универсальным и ясным подходом к расчету конструкта! является метод конечных элементов (МКЭ).

Вначале рассматривается опорная плита базы стальной колонны на упругом основании без учета жесткости узла, нагруэка прикладывается по линиям контакта опорной плиты и сечения узла баз« (стержень колонны, траверса). Данная задача решается с использованием метода конечных элементов. Исследование проводится при различной густоте конечно-элементной сетки. Ввиду полной симметрии конструкции рассматривается только 1/4 ее часть с соблюдением соответствующих граничных условий. Опорную плиту моделируем прямоугольными конечными элементами, кахадый узел такого элемента имеет пять степеней свободы. Упругое основание моделируем установкой в каждый узел конечно-элементной сетки упругих пружин. Далее рассчитывается узел базы стальной колонны с учетом жесткости узла, исследование производится с использованием кбнеч-

I

J_

X 1

fcjicí _1_

E:

■

С

р | в Г-

о 1

спел /1QHK3L Л ' Л

N л/П VJUJ

1 огарке*, опита 66

2 ■ф^еос« г Эе

3 »ve>»af rvw» Í 7 »

* болт в то 1 а

! '

к; »-А. Чв-егм baaptbQr *eoe в »V ОГСЫСЛЛЧЛ

Ssüg^tejin |.>д Jn 1 j _i__

ся

I

Рис. II. Чертеж получении! автоматически.

но-элементной сейш, полученной ранее. Вертикальные элементы узла моделируем плоскими мембранными элементами с двумя поступательными степенями свободы. В результате расчета устанавливаем зону возмущения напряженного состояния в колонне.

Затем производится расчет базы стальной колонны на бетонном Фундаменте. Для исключения влияния трения между опорной папой и фундаментом устанавливаем шарнирные стержни. Моделирование фундамента производим объемными восъшузловыми элементами с линейными степенями свободы. Ввиду регулярности конечно-элементной сетки из одного слоя собираем суперэдемент для двух сдоев, из двух для четырех слоев и т. д. Первоначально назначаем глубину фундамента 180 см, далее сокращаем количество горизонтальных слоев фундамента, следя за изменением напряжений в опорной плите. Таким образам устанавливаем, что напряжения в опорной плите остается практически неизменными до толщины фундамента в два слоя конечных элементов, что составляет примерно 1/6 часть от поперечного размера фундамента. На рис.12 и рис.13 приведены эпюры напряжений для характерных сечений опорной плиты.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ обосновано применение метода суперэлементов (МСЭ) для прочностного анализа баз стальных колонн.

Метод суперэлементов ориентирован в основном на репенне больших задач. Одним из достоинств МСЭ является возможность расчленения сложной конструкции на ряд подконструкций. Другой важной особенностью МСЭ является использование принципа повторяющихся подконструкций, что позволяет существенно экономить время при формировании и обработке однотипных подконструкций.

Применительно к интегрированной системе СУПЕР-ПК разработана программа, позволяющая получать автоматически Файл исходных дач-

iL

M

.L

131

70

53

27

¡57 isa îai 1бз ieg 1er lea

143

шим«!«

105

133

107

ßl

55

29

135

109

ез

57

3]

137

111

es

59

33

139

113

97

61

35

láL

116

ш.

ез

37

11

т1 i - i

117 01

65_i

3d

13 г

ЖПЖПШ

£ »

Рнс.12. Конечно-элементная схема штаты и эпюры напряжений в сечегага 1-1.

i

з

5

0

- id -

2-2

e> r-

г Я 8

о о í-

з - а

167Ö

—г

Г"9в8

921

ЗГйг гов

зв

439

1423

еоз

■• 19 2

Рис.13. Этпоры напряжений в сечениях 2-2, 3-3.

иш для прочностного расчета в формате программного комплекса. Исходными данными для расчета являются параметры, полученные при расчете по программе, описанной во второй главе.

В предлагаемой программе процесс создания подкснструкцнй и суперэлементов разделен.

Разделение этих процессов имеет смысл в случае создания постоянных библиотек суперэлементов. В этой случае удобно использовать процесс создания лодтонсгрукций и суперэлекентов отдельно, та)? как позволяет один раз создать типовые супер^асмечты и затем мяогафатно их использовать в разных задачах. Использование постоянных библиотек суперэдементов монет быть эффективно в случае расчета коястру>ад!Й, принадлежащих одному классу репаемых задач.

В рассматриваемых задачах база стальной колонны разбивается па следущие * подконструкции: опорная плита, траверса, ребро, стеши стержня колонии, полка стерхлп колонны.

Подконструкция "опорная плита" разбивается па четырехугольны® конечные элементы, обладающие иогпбными и мембранным» свойс-твями; камдый узел может иметь до 5 степеней свободы (три поступательных и две поворотные).

Подконструкции: "траверса", "стенка", "полка", "ребро" моделируются четырехузловьжи двумерными элементами с мембранными свойствами; каждый узел такого элеиента метет иметь две поступательные степени свободы.

Пр!в.'еры разбиения различных -типов баз стальных колонн представлены на рис. 14. С учетом симметрии рассматривается только 1/4 часть конструкции.

Результатам суперзлементного расчета являются значения напряжений в алементах базы колонны. Значения напряяений выводятся в габллчпой форме. Далее рассмотрен практический пример проектиро-

- ГО -

Рис.14 Примеры разбиения на конечные элементы.

ваяия базы стальной колонны, выполненный с использование« программных средств, разработанных в рамках диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Разработана система автоматизированного проектирования баз стальных колонн промышленных сооружений "БАЗА".

2. Разработанное математическое обеспечение системы "БАЗА" состоит:

а) построен алгоритм получения проектного ревения по нормативным документам выбранной конструктивной схемы;

б) разработан алгоритм автоматического формирования математической «одели метода конечных элементов увла "база колонны -фундамент";

в) разработан алгоритм диалогового режима организующий последовательность проектирования баз колонн.

3. Разработанное программное обеспечение вкиочает:

а) разработаны межпрогршадме интерфейсы между базой данных, расчетным комплексом СУПЕР-ПК и графической системой Автокад;

б) разработаны програьагы реализующие алгоритмы ыатематичес-кого обеспечения предназначенного для проееткрозания баз стальных колени.

4. Разработанное информационнее обеспечение содержит:

а) на оспове СУБД СЬАЙЮИ создана база данных содержащая:

- типовые копструкптные репекия Сзз кояоин:

- сортаыеят прокатных профилей;

- характеристики материалов;

- данные нормативных материалов влияющих на принятие проектного реления.

б) набор файлов содержащих описание математической модели для расчета по МКЭ.

5. Выполнено исследование напряженно-деформированного состояния ряда моделей увла "бава колонны - фундамент" с использование метода конечных элементов,

6. На основании выполненных исследований, выбрана модель наиболее полно отражающая работу уала. Выбранная модель встроена в систему "БАЗА" и позволяет более точно оценить НДС уала.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Шелехов А.Е. Автоматизированное проектирование баз стальных сплошностенчатых колонн на персональном компьютере. М., 1932, - 11 е.,- Деп. в ВИНИТИ 5.10.92. N 2897-В92.

2. Шелехов А.Е. Расчет базы стальной колонны по методу суперэлементов на персональном компьютере. М., 1993 - 7 с., - Деп. в ВИНИТИ 9.04.93. N 925-ЮЗ.

3. Шелехов А.Е. Снижение материалоемкости бав стальных колонн при проектировании. М., 1993. - 6 с., - Деп. в ВИНИТИ, 28.05.03. N 1781-В93.

Шелехов Александр Евгеньевич Автоматизация проектирования баз стальных колонн на персональном компьютере.

Специальность:

ОБ.23.01. Строительные конструкции, здания н сооружения

Сдано в набор ЛI. С/, Подписано к печати 2А О/. 91/.

Формат бумаги 60x90 1/16 объем 1^7¿п.л. заказтираж 100

Типография ШИТа, Москва, ул. Образцова 15.