автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Система автоматизированного проектирования стальных ферм при их реконструкции

Брянская государственная инженерно-технологическая академия

На правах рукописи УДК 624.01:69.059.3

Ильичев Владлен Анатольевич

СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ФЕРМ ПРИ ИХ РЕКОНСТРУКЦИИ.

05.13.12. Системы автоматизации проектирования (промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор

ЮЛ.Юдин

Брянск -1998

\

СОДСРЖ4нИ£

еденье

1. Проблемы, объем и задачи исследования.

1.1 Особенности расчета и проектирования стальных ферм, как

в новых, так и в реконструируемых сооружениях. Актуальность проблем реконструкции.........................................

1.2 Некоторые проблемы создания САПР расчета и проекти-

рования новых и реконструируемых сооружений..............^

1.3 Современное состояние систем САПР по расчету и проек-

тированию стальных ферм.....................................................^

1.4 Выводы. Формулировка задач исследования. .........................

2. Автоматизированная система расчета и проектирования стальных ферм как в новых, так и в реконструируемых сооружениях.

2.1 Схема проведения исследований работы стальных ферм при

их реконструкции.....................................................................

2.2 Постановка задачи.....................................................................^

2.3 Математическая модель...........................................................

2.4 Автоматизированный расчет стальных ферм..........................33

2.5 Состав и структура базы данных................. ........ 44

2.6 Краткие выводы..........................................................................&

3. Формализованное представление исходной информации в расчете и исследовании фермы.

3.1 Актуальность проблемы. Некоторые аспекты.........................

3.2 Исходная и входная информация...............................................

3.3 Генерация исходной информации для ферм с раскосной решеткой..........................................................................................&

í~ _ , А л ¿y О ¿Лй'^о L' L^ArpOjOjU a Lf c-t i-c O A J?

3.5 Генерация исходной информации для ферм с треугольной решеткой с дополнительными стоиками......................т^

3.6 Генерация исходной информации для ферм с треугольной решеткой..........................................................................

3.7 Система графического ввода исходной информации........

3.8 Краткие выводы......................................................................Н

4. Применение программного комплекса для исследования работы конструкций.

4.1 Программный комплекс.......................................................^

4.2 Исследование расчета статически неопределимых стальных ферм.................................................................................

4.3 Исследование работы элементов ферм при реконструкции.............................................................................................W

4.4 Некоторые вопросы оптимизации элементов стержневых строительных конструкций...................................................^

4.5 Использование системы в учебном процессе и внедрение

///

в практику реального проектирования................................. "

4.6 Краткие выводы....................................................................JM

Основные выводы и результаты..........................................................

Литература...................................................................................................^

Приложение.................................................................................................2-

ВВЕДЕНИЕ

Строительство как отрасль занимает одно из ведущих мест в индустриальнОхМ комплексе нашей страны и вносит огромный вклад в развитие всех отраслей хозяйства нашей экономики.

Возрастают требования к долговечности и технологичности строительных объектов, в качестве которых могут выступать промышленные здания, сооружения общественно-бытового и жилого комплексов. Совершенствуются строительные материалы и конструкции, повышается индустриальность и сбор-ность зданий и сооружений. Значительно возрастают требования к надежности как вновь возводимых, так и существующих зданий и сооружений.

Однако, в связи с нестабильностью экономики в строительстве не преодолен еще ряд негативных тенденций. Например: подготовка инженерных и научных кадров в строительстве отстает от нынешнего этапа НТР. Высокий уровень ручного труда из-за низкой технологичности проектов. Сокращение масштабов строительства, особенно промышленного, сокращение части производств, его разукрупнение. Многие здания и сооружения эксплуатируются без должных текущих и капитальных ремонтов, с нарушением условий эксплуатации. Поэтому возникает необходимость наряду с новым строительством, в реконструкции старых зданий и сооружений, повышении их долговечности и надежности. Среди технических причин диктующих необходимость проведения работ по реконструкции следует отметить: -физический износ элементов конструкций; -изменение расчетных схем отдельных элементов или сооружения в целом; -изменение условий эксплуатации; -моральный износ.

Как известно, стоимость комплекса работ при реконструкции меньше, нежели затраты на новое строительство. Однако, реконструкция зданий и сооружений становится возможной только после проведения целого ряда работ, причем, значительная их часть приходится на проектные работы, которые по трудоемкости являются величинами одного порядка с первоначальным проектированием данных сооружений. Эта проблема приобретает массовый характер и требует для решения разработки новых подходов на основе САПР с наиболее полным ис-

пользованием новых компьютерных технологий проектирования. В этих условиях системы автоматизированного проектирования и расчета для исследования работы конструкций при реконструкции играют такую же определяющую роль, какую на этапе индустриализации строительства играла механизация строительных работ. В связи с вышесказанным задача автоматизации расчетов и проектных работ при реконструкции зданий и сооружений на основе САПР является в настоящее время одной из наиболее значимых и актуальных научно-технических и практических проблем.

Цель и з а да ч и работы. Целью данной работы является исследование напряженно-деформированного состояния стальных ферм и их элементов, а также снижение трудоемкости их проектирования на основе САПР, внедрение результатов работы в практику реального проектирования, а также в систему высшего образования в рамках курсов «Металлические конструкции» и «Восстановление и реконструкция зданий и сооружений».

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1.Произвести анализ современного состояния развития САПР в области конструирования стальных ферм в новых и реконструируемых зданиях и сооружениях.

2.Разработать физико-математическую модель алгоритмов расчета и проектирования стальных ферм в условиях проведения реконструкции.

3.Разработать базу данных нормативной, справочной и другой информации.

4.Разработать методы графического представления исходной информации и выходной информации.

5.Разработать методы формализованного представления исходной информации расчетной системы.

6.Разработать систему моделирования" работы стальных ферм, их расчета и усиления для статически определимых и статически неопределимых ферм в прямой и обратной задачах.

7.Осуществить интерактивное взаимодействие пользователя с проектирующей Системой.

8.Интегрировать программный комплекс с базой данных нормативной и справочной информации, что позволит снизить трудоемкость подготовки исходных данных для статического и конструкционного расчетов.

Для решения поставленных задач была разработана САПР, включающая следующий пакет программ:

а) Статический расчет ферм (статически определимых и статически неопределимых) и конструктивный расчет стальных ферм (прямая задача).

б) Программа генерации (формализации) входной информации в автоматическом режиме.

в) Программа графического ввода исходной информации.

г) Проведение исследований напряженно-деформированного состояния и оптимизация стальных ферм.

д) Проверочный расчет ферм (обратная задача).

Для работы с данной системой разработано и издано соответствующее методическое обеспечение.

Объект исследования. САПР «Автоматизация расчета и проектирования стальных ферм при реконструкции зданий и сооружений и в новом строительстве».

Методы исследования: системный анализ, математическое и физическое моделирование, программирование.

Научная новизна. Разработана и реализована при помощи системного подхода САПР, наиболее адекватно соответствующая особенностям задачи исследования работы конструкции ферм, обозначены ее связи с другими системами. Сформирована структурированная, интегрированная база данных. Реализован единый алгоритм автоматизированного расчета статически определимых и статически неопределимых стальных ферм, который позволяет производить статический и конструктивный расчеты, решать прямую и обратную задачи. Разработаны элементы оптимизации стальных ферм. Создана методика графического представления исходной и выходной информации. Реализованы методы формализованного представления расчетной системы.

Все вышеперечисленное позволяет значительно расширить круг решаемых проектировщиком задач, повышает достоверность расчетов, упрощает и облегчает ввод информации, увеличивает наглядность расчетов и организует их связь с другими системами.

Достоверность научных результатов подтверждена при

решении тестовых задач, сравнением с результатами расчета по другим программным комплексам на основе МКЭ.

Практическое значение. Разработанные методы, алгоритмы, программное обеспечение создают научную основу для повышения эффективности проектных решений, увеличения уровня автоматизации проектных работ при реконструкции сооружений. Разработанная система позволяет проектировщику, в интерактивном режиме взаимодействия с ПЭВМ, проводить исследования работы различных стальных ферм. Широкие возможности по моделированию различных вариантов работы конструкции и выхода из работы отдельных элементов, позволяют выявить наиболее опасные сечения и разработать мероприятия по устранению данных ситуаций.

Апробация, публикации, внедрение и использование полученных результатов. Основные положения и разделы работы докладывались и получили одобрение на внутри вузовских научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Брянской государственной инженерно-технологической академии. Опубликовано 4 статьи по данной тематике. Разработана САПР, включающая соответствующее программное обеспечение для ПЭВМ. Данная САПР использовалась при проведении нескольких госбюджетных и хоздоговорных работ, в том числе: исследование несущей способности строительных объектов АО "Ивотстекло", АО "Брянский Машиностроительный Завод", АОЗТ "Володарское" и других предприятий Брянской области. Результаты этих работ были переданы соответствующим предприятиям. Кроме вышесказанного, отдельные части системы были переданы для использования при разработке проектных решений в институты "Брянскгражданпроект" и "ГПИСтроймаш". Некоторые положения и программное обеспечение используется в учебных целях в курсах лекций, лабораторных работах по САПР, в курсовом и дипломном проектировании, при выполнении хоздоговорных работ учеными академии. Разработаны 3 методических указания, опубликовано 4 статьи.

На защиту выносятся: положения, сформированные в разделе «Научная новизна», комплекс математических моделей и алгоритмов исследований работы стальных ферм при

реконструкции, методическое и программное обеспечение, интегрированная база данных нормативной и справочной информации.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на страницах (без списка литературы и приложений), содержит ■£/_ рисунков, таблиц.

1. ПРОБЛЕМЫ, ОБЪЕМ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. 1.1. Особенности расчета и проектирования стальных ферм, как в новых, так и в реконструируемых сооружениях. Актуальность

проблем реконструкции.

Технический прогресс и интенсификация производства неразрывно связаны с разработкой автоматизированных систем проектирования на основе методов математического моделирования, реализуемых на электронных вычислительных машинах. Компьютеризация строительной промышленности потребовала разработки многих новейших методов расчетов, практическое внедрение которых получает в нашей стране повсеместное использование, начиная с 80-х годов. Как известно, одним из наиболее распространенных элементов конструкций является стальная ферма. Также известно, что расчет и конструирование элементов промышленных зданий и сооружений, в частности ферм, занимают значительное место в процессе проектирования объектов строительства. От уровня их надежности в определяющей мере зависит жизнеспособность всего объекта. Надежность строительной продукции - это ее способность выполнять возлагаемые на нее функции. Повышение надежности зданий и сооружений является чрезвычайно важной задачей. В настоящее время разработаны математические методы, позволяющие оценить надежность здания или сооружения, построены машинные алгоритмы, которые позволяют решать задачи повышения надежности там, где в этом возникает необходимость. Кроме того, концепция надежности оказывается полезной при выборе оптимальных параметров объекта. Весьма трудно разбираться с отдельными свойствами элементов системы, когда объекты достаточно сложны. В таких случаях обычно применяется некая интегральная характеристика или их набор. Методы решения таких задач постепенно разрабатываются, многие из таких задач поставлены на ЭВМ и решены на основе САПР. Как известно, САПР - это совокупность текстовых, графических, расчетных модулей и специализированных баз данных, моделирующих процесс проектирования с использованием технических средств. В целом САПР строительных конструкций и объектов строительства можно представить в виде схемы (рисунок 1.1).

На основе САПР становится возможным прогнозирование и заблаговременное проведение ряда мероприятий по предотвращению аварий строительных конструкций, таких как

реконструкция и усиление. Как одна из наиболее распространенных конструкций, стальная ферма часто оказывается в центре аварий зданий и сооружений. Назовем некоторые из наиболее известных аварий стальных ферм. Авария двух ферм покрытия цеха металлоконструкций пролетом 48 метров на Урале. Обрушение стального двухпролетного покрытия по фермам на цементном заводе в Куйбышеве в 1960 году. Аналогичные аварии имели место также на Пикалевском и Брянском цементных заводах. Обрушение среднего отсека «корпуса сгущения» на обогатительной фабрике комбината «Апатит». Авария наклонной транспортерной эстакады Солигорского калийного комбината. Обрушение транспортерной галереи на заводе «Магнезит» в г. Сатка. Обрушение ферм покрытия Вашингтонского кинотеатра. Обрушение покрытия Вашингтонского театра Никербокер. Обрушение части металлических конструкций покрытия крупного промышленного цеха Ь Комсомольске-на-Амуре, и очень много других аварий. Все

Рисунок 1.2. Этапы проектирования САПР, их взаимодействие и взаимосвязь.

Рисунок 1.3. Распределение эксплуатационных затрат и состояние надежности здания в период его службы.

А - здания при длительном сроке службы без реконструкции;

Б - то же при проведении реконструкции;

Тпр - период приработка;

Тн - Период нормальной эксплуатации;

Гр - период реконструкции;

Ти - период износа;

выперечисленные аварии имели место до 1970 года, а в последнее время в нашей стране, в связи с нестабильной экономической обстановкой, еще более увеличилось количество аварийных и предаварийных зданий и сооружений.

Нарушение нормального выполнения строительной продукцией своих функций принято называть «отказом», а б тяжелых случаях «аварией». Как правило, следствием этого является нарушение нормальных эксплуатационных функций зданий и сооружений.

Причиной отказов может быть большое число групп факторов: природные катаклизмы; дефекты, допущенные на одном из этапов создания продукции и не установленные в момент сдачи ее заказчику (случайно пропущенные или скрытые, которые не могут быть выявлены при сдаче); нарушение условий эксплуатации; физический износ материалов и конструкций; недостаточное изучение условий работы и свойств материалов и др. Очень часто причиной аварии служат неудачные проектные решения;

Продолжительность службы строительной продукции может колебаться от нескольких недель до

нескольких десятков лет. При своевременной и

грамотной реконструкции этот срок можно существенно увеличить. В течение времени службы здания можно наметить следующие характерные периоды:

- период приработки (Тпр), когда отказы являются, в основном, следствием дефектов, допущенных при создании здания (сооружения). Эти отказы интенсивно проявляются

в первые годы.

- период нормальной эксплуатации (Тн). Первоначальный всплеск количества отказов спадает и эксплуатационные затраты, в основном, определяются проектными решениями