Сравнение ПВК SCAD Office и ЛИРА-САПР на примере расчёта башни связи

Любое освоение территорий — расширение городских территорий, разработка газовых и нефтяных месторождений, строительство ж/д и автомобильных дорог и т.д. сопровождается прокладкой сетей сотовой связи.

В России сейчас осуществляется ряд проектов по строительству нефте-, газопроводов, ж/д и автомобильных дорог.

Наиболее известные из них:

• -  Нефтепровод «Заполярное — Пурпе»;

• -  «Мурманский нефтепровод»;

• -  газопровод «Сахалин — Хабаровск — Владивосток»;

• -   порт «Усть-Луга».

Существуют ещё проектируемые нефте-, газопроводы, ж/д дороги.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что потребность в антенно-мачтовых сооружениях (АМС) довольно высока и ещё долго будет поддерживаться.

В качестве меры повышения качества расчётных обоснований проектных решений, Главгосэкспертиза России в 2004 году высказала предложение: [12] «…осуществлять расчёты не менее чем по двум сертифицированным, независимо разработанным и проверенным в практике программным комплексам, проводить сопоставительный анализ полученных результатов».

Благодаря высокой приспособленности метода конечных элементов (МКЭ) к возможностям современной вычислительной техники в настоящее время существует множество самых различных по своей направленности и по своим возможностям программно-вычислительных комплексов (ПВК), реализующих метод конечных элементов. Из числа ПВК, используемых при выполнении расчетов, сопровождающих строительное проектирование, отметим ANSYS, COSMOS/M, Лира-САПР, SCAD, STAAD Pro, FEM models, PLAXIS, Robot Millennium.

ПВК SCAD и ПВК Лира-САПР были выбраны для сравнения в данной работе, из-за их доступности, широты распространения, соответствия СНиП и ГОСТ. Так же эти ПВК внедрены и широко используется в учебном процессе.

Лира-САПР — данный программный комплекс предназначен для численного исследования прочности и устойчивости конструкций, а также для автоматизированного выполнения ряда процессов конструирования. ПВК «Лира-САПР» обеспечивает исследование широкого класса конструкций: пространственные стержневые и оболочечные системы, массивные тела, комбинированные системы — рамно-связевые конструкции высотных зданий, плиты на грунтовом основании, ребристые плиты, многослойные конструкции.

SCAD Office — программный комплекс нового поколения - позволяет проводить расчет и проектирование стальных и железобетонных конструкций. В состав комплекса входят универсальная программа конечно-элементного анализа SCAD, а также ряд функционально независимых проектнорасчетных и вспомогательных программ. Программа SCAD предназначена для расчета сооружения в целом. Другие проектно-расчетные программы ориентированы на выполнение детальных проверочных расчетов несущих строительных конструкций (отдельных балок, колонн, плит) в соответствии с действующими нормами.

Основа работы с этими ПВК изложена в [10-12].

Обзор литературы

Основные исследования по проектированию и расчёту антенно-мачтовых сооружений были проведены в 60-70-х годах прошлого века. Учебная литература представлена теми же годами [6-9]. В этих работах описаны расчёты без использования современных ПВК и по устаревшим нормативным документам.

Существуют научные работы, описывающие расчёт антенно-мачтовых сооружений в современных ПВК [13-16].

Несмотря на большое количество научных работ, публикаций по данной тематике, большая часть работ посвящена расчёту в программном комплексе ПВК SCAD Office и не рассматривают варианты расчёта в других ПВК.

Несмотря на предложение Главгосэкспертизы России относительно повышения качества расчётных обоснований проектных решений, озвученное в 2004 году [12], на местах оно не выполняется. Как следствие, существует относительно малое количество работ, где сравнивали бы ПВК SCAD Office и ЛИРА-САПР.

Постановка задачи

Цель данной статьи — исследовать напряженно-деформированное состояние несущих конструкций башни связи на моделях расчётных схем, созданных в средах SCAD и ЛИРА, сравнить результаты расчёта пространственных моделей в ПВК SCAD Office 11.5 и ПВК ЛИРА-САПР.

Из поставленной цели вытекают следующие задачи:

• 1.    разработка пространственной конечно-элементной модели;

• 2.    определение загружений расчётной модели;

• 3.    конечно-элементное исследование напряжённо-деформированного состояния модели;

• 4.    определение нагрузок на фундаменты;

• 5.    сравнение результатов расчёта пространственной модели в ПВК SCAD Office 11.5 и ПВК ЛИРА-САПР.

Характеристика объекта

Стальная секционная сборная на болтах свободностоящая башня (высота Н=30 м). Башня представляет собой пространственную четырёхгранную ферму с поясами и решеткой из угловых равнополочных прокатных профилей. Конструкция ствола башни состоит из шести секций с номинальной длиной пояса 5 м. Секции имеют вид усечённой правильной четырёхгранной пирамиды. Уклон поясов пирамидальной части башни постоянен по её высоте. Сторона грани в основании башни составляет 2085 мм.

Профили поясов башни выполнены из горячекатаного равнополочного углового профиля из стали С255 (по [3]) с расчётным пределом текучести 250 Н/мм2 и 240 Н/мм2.

Для соединений применяются болты нормальной точности, класса прочности 8.8 по DIN 7990 с цинковым покрытием.

В соответствии с [5] сооружение относится ко II-му (нормальному) уровню ответственности.

Отметка основания башни относительно уровня основного рельефа местности: 0,0 м.

Создание КЭ модели в ПВК SCAD Office и ЛИРА-САПР

Геометрическое моделирование выполнялось в ПВК SCAD 11.5 и ПВК ЛИРА-САПР на основе чертежей марки КМ.

Общий вид пространственной конечно-элементной модели сооружения представлен на рисунке 1.

Расчетная схема определена как система с признаком 5. Это означает, что рассматривается система общего вида, основные неизвестные которой представлены линейными перемещениями узловых точек вдоль осей X, Y, Z и поворотами вокруг этих осей.

При создании модели использовались стержневые конечные элементы (КЭ) — тип 5 (пространственный стержень).

Общее количество КЭ для расчетной схемы составило: 683.

Общее количество узлов для расчетной схемы составило: 268.

В расчете использованы стержневые конечные элементы следующих типов жесткости [4]:

Уголок равнополочный: L125x10; L100x10; L90x8; L80x8; L75x6; L63x6; L50x5; L40x4.

а)                                                                б)

Рисунок 1. Конечно-элементная модель расчётной схемы в среде: а) ЛИРА; б) SCAD

Сбор нагрузок

Район строительства соответствует II ветровому району и II гололёдному району по картам [1]. Расчетные нагрузки приняты в соответствии с [1], а материалы в соответствии с [2] для типа местности А.

Расчетным сочетанием нагрузок является сочетание постоянных (собственный вес конструкций и оборудования) и кратковременных (ветровых) нагрузок. Расчет выполнен при условии абсолютной жесткости фундаментов.

Для данной расчетной схемы рассматривались следующие расчетные загружения:

• 1.    Расчетная нагрузка от собственного веса конструкции;

• 2.    Расчетная нагрузка от веса технологического и антенно-фидерного оборудования;

• 3.    Расчётная фронтальная нагрузка от ветрового давления;

• 4.    Расчётная диагональная нагрузка от ветрового давления.

Собственный вес:

Собственный вес конструкций из расчета объемного веса металла с нормативным объемным весом 7,85 Т/м3 вычисляется с помощью программ.

Вес технологического и антенно-фидерного оборудования:

В таблице 1 указано установленное оборудование и соответствующая нагрузка:

Таблица 1. Установленно е на башне антенно-фидерн ое оборудование

№	Наименование оборудования	Высота установки, м	Эффективная ветровая площадь Aeff, м2	Расчетный вес, включая кронштейны, Н
1	панель Allgon 7755	27,5	0,53	497
2
3
4	РРЛ Ø640 мм		0,42	309

Расположение антенно-фидерного оборудования представлено на рисунке 2.

По башне проложена кабельная трасса эффективной шириной 640 мм и массой 115 Н/м.

Рисунок 2. Расположение антенно-фидерного оборудования

Ветровая нагрузка:

Определение ветровой нагрузки произведено в соответствии с [1] с учетом пульсаций, вызываемых порывами ветра, а также увеличением её значения по высоте.

В таблицах 2 и 3 приведены расчетные значения ветровых нагрузок на конструкцию башни связи и кабельную трассу соответственно.

Таблица 2. Ветровые нагрузки на конструкцию башни

№	h,м	Элемент	n, шт.	C хi	S, м2	C х		W m , кН/м2		F m, кН/м		W p , кН/м2		F р , кН/м
						1	2	1	2	1	2	1	2	1	2
1	2,5	Пояс (L125х10)	2	1,4	9,6	0,55	0,66	0,12	0,15	0,12	0,09	0,09	0,11	0,09	0,07
		Раскос 1-3 (L50х5)	2
		Распор (L50х5)	1
2	7,5	Пояс (L100х10)	2	1,4	8,2	0,53	0,64	0,14	0,17	0,11	0,12	0,10	0,11	0,08	0,06
		Раскос 1-4 (L40х4)	2
3	12,5	Пояс (L90х8)	2	1,4	6,8	0,56	0,67	0,18	0,21	0,12	0,10	0,11	0,13	0,08	0,06
		Раскос 1-4 (L40х4)	2
		Распор (L40х4)	1
4	17.5	Пояс (L80х8)	2	1,4	5,4	0,64	0,76	0,23	0,27	0,12	0,10	0,14	0,16	0,07	0,06
		Раскос 1-5 (L40х4)	2
		Распор (L40х4)	1
5	22.5	Пояс (L75х6)	2	1,4	4,1	0,72	0,87	0,28	0,33	0,11	0,09	0,16	0,19	0,07	0,05
		Раскос 1-5 (L40х4)	2
		Распор (L40х4)	1
6	27.5	Пояс (L63х6)	2	1,4	2,7	0,85	1,02	0,34	0,41	0,09	0,07	0,19	0,23	0,05	0,04
		Раскос 1-7 (L40х4)	2
		Распор (L40х4)	1

Таблица 3. Ветровая нагрузка на монтажную лестницу и кабельную трассу

Элемент	Длина, м	Ширина, м	S 1 , м2	С xi	Aeff, м2	n 1 , шт.	S 2 , м2	№	h	K(h)	W m, кН/м2	F m , кН/м
												1	2
Монтажная лестница								1	2,5	0,75	0,11	0,011	0,007
Ступень ø 20	0,45	0,02	0,009	1,2	0,011	4	0,043	2	7,5	0,88	0,10	0,010	0,007
Пояс (L50х4)	1	0,05	0,05	1,4	0,07	2	0,14	3	12,5	1,06	0,09	0,009	0,006
Кабельная трасса								4	17,5	1,19	0,08	0,008	0,006
Кабель 7/8	1	0,016	0,016	1,2	0,019	3	0,84	5	22,5	1,28	0,07	0,007	0,005
Кабель 8D-FB	1	0,016	0,016	1,2	0,019	1	0,3	6	27,5	1,34	0,06	0,006	0,004

В таблицах 2 и 3 приняты следующие условные обозначения:

• -  № — номер секции;

• -    h — высота середины расчётного поля;

• -    n — количество элементов на грань;

• -  C xi — аэродинамический коэффициент i-ого элемента;

• -    S — площадь секции по габариту;

• -  W m — нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки;

• -    F m — распределённая нагрузка на каждый пояс от средней составляющей ветровой нагрузки;

• -  W р — нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки;

• -    F р — распределённая нагрузка на каждый пояс от пульсационной составляющей ветровой нагрузки;

• -    К(h) — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте;

• -    n 1 — количество элементов на погонный метр;

• -    Aeff — площадь с учётом аэродинамических коэффициентов;

• -  S 1 — площадь элемента;

• -  S 2 — площадь погонного метра;

Загружения и их сочетания

В таблице 4 представлены расчётные комбинации загружений.

Таблица 4. Расчётные комбинации загружений

Номер	Наименование
1	(L 1 )*1.00 + (L 2 )*1.00 + (L 3 )*1.00
2	(L 1 )*1.00 + (L 2 )*1.00 + (L 4 )*1.00

Условные обозначения, принятые в таблице 4:

• -  L 1 – расчётная нагрузка от собственного веса конструкции;

• -  L 2 – расчётная нагрузка от веса технологического оборудования;

• -  L 3 – расчётная нагрузка от фронтального ветра;

• -  L 4 – расчётная нагрузка от диагонального ветра.

Вычисление расчетных сочетаний усилий производится на основании критериев, характерных для соответствующих типов конечных элементов – стержней, плит, оболочек, массивных тел. В качестве таких критериев приняты экстремальные значения напряжений в характерных точках поперечного сечения элемента. При расчете учитываются требования нормативных документов и логические связи между загружениями.

Проверка прочности элементов выполнялась по расчетным сочетаниям усилий (РСУ), указанным в таблице 5.

Таблица 5. Расчётные сочетания усилий

Номер загружения	Тип	Коэффициент надежности
L 1	Постоянное	1,05
L 2	Временно длительно действующее	1,1
L 3	Кратковременное	1,4
L 4	Кратковременное	1,4

Процесс задания расчётной схемы, создания загружений и РСУ в ПВК ЛИРА-САПР аналогичен ПВК SCAD 11.5. Так же имеется возможность импортирования расчётной схемы из ПВК SCAD в ПВК ЛИРА-САПР, это действие подробно описано в [10-12]

Анализ НДС системы и сравнение результатов расчётов в ПВК SCAD 11.5 и ПВК ЛИРА-САПР

В этом разделе приведены результаты конечно-элементного моделирования напряженно-деформированного состояния башни связи и выполнено сравнение результатов, полученных в ПВК SCAD и ЛИРА-САПР.

Суммарные перемещения узлов расчетной схемы

Максимальные горизонтальные перемещения при загружении в соответствии с комбинацией 1 – SCAD 57,25 мм, ЛИРА-САПР 51,5 мм.

Максимальные горизонтальные перемещения при загружении в соответствии с комбинацией 2 – SCAD 54,56 мм, ЛИРА-САПР 49,11 мм.

Следует отметить, что различия в результатах расчета достигали 10 процентов.

Construction of Unique Buildings and Structures, 2014, №10 (25)

Сравнение полученных нагрузок на опорные узлы в ПВК SCAD 11.5 и ПВК ЛИРА-САПР

Расположение опорных узлов показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Номера опорных узлов

Результаты расчётов усилий в опорных узлах представлены в таблице 6.

Таблица 6. Усилия в опорных узлах

Комбинации загружений	Направление усилий	Номер опорного узла
		1	2	3	4
Результаты ПВК SCAD 11.5
1 (ветер 00)	RX, кН	3,14	2,35	2,94	3,83
	RY, кН	-2,26	1,47	-2,16	2,94
	RZ, кН	52,48	-36,01	-36,01	52,88
2 (ветер 450)	RX, кН	4,32	-0,59	4,22	2,16
	RY, кН	-3,93	-1,77	-4,61	0,20
	RZ, кН	78,48	10,50	-63,28	8,24
Результаты ПВК ЛИРА-САПР
1 (ветер 00)	RX, кН	3,38	2,55	2,05	3,30
	RY, кН	-2,26	1,49	-1,51	2,30
	RZ, кН	49,95	33,19	-32,84	50,09
2 (ветер 450)	RX, кН	4,53	0,38	3,18	1,24
	RY, кН	-4,45	-1,41	-3,81	-0,46
	RZ, кН	80,31	9,64	-63,52	7,72

Выводы

• 1.    Ввод расчётной модели «вручную» лучше организован в ПВК ЛИРА-САПР. Большой выбор инструментов позволяет быстрее набрать схему. Но это преимущество является спорным, т.к. при импорте из программы «AutoCAD» ПВК SCAD Office 11.5 ведёт себя корректнее, к примеру, он сам распознаёт промежуточные узлы. Это позволяет в AutoCAD такой элемент как пояс начертить одним отрезком. Для того, чтобы импортировать в ПВК ЛИРА-САПР пространственную модель из AutoCAD придётся тот же самый пояс разбить с учётом всех промежуточных узлов.

• 2.    ПВК SCAD Office 11.5 и ПВК ЛИРА-САПР имеют обширную библиотеку отечественных и зарубежных сортаментов. Сам процесс задания жесткостных характеристик, связей и нагрузок в данных ПВК не отличается.

• 3.    Задание РСУ в данных ПВК практически не отличается. А вот комбинации загружений и нагрузки от фрагмента схемы в случае ПВК ЛИРА-САПР надо определять после расчёта конструкции. В ПВК SCAD Office 11.5 удобнее организован этот процесс, все эти параметры можно задать в разделе: «Специальные исходные данные».

• 4.    Результаты расчётов в ПВК SCAD и ПВК ЛИРА-САПР сопоставимы и имеют незначительные, в пределах 10%, расхождения. Максимальные перемещения от расчетной нагрузки в ПВК SCAD Office 11.5 имеют большие значения, чем в ПВК ЛИРА-САПР. И те, и другие значения лежат в пределах допустимых для исследуемой конструкции, согласно п. 17.7 [2].

• 5.    Вывод результатов расчёта лучше организован в ПВК SCAD Office 11.5. Например, при получении значений нагрузок от фрагмента схемы в ПВК ЛИРА-САПР можно вывести результаты только в табличной форме. Для этого надо знать номера узлов и их расположение. В ПВК SCAD Office 11.5 можно на схему вывести направления и значения усилий, что упрощает анализ результатов.