Научная статья на тему 'Математическое моделирование техногенной безопасности ответственных строительных объектов и комплексов мегаполисов часть 2: современные методы моделирования, некоторые сведения и рекомендации'

Математическое моделирование техногенной безопасности ответственных строительных объектов и комплексов мегаполисов часть 2: современные методы моделирования, некоторые сведения и рекомендации Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
122
46
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Вестник МГСУ
ВАК
RSCI
Ключевые слова
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / MATHEMATICAL MODELLING / ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ / NUMERICAL METHODS / ДИСКРЕТНО-КОНТИНУАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ / DISCRETE-CONTINUAL METHODS / ПРОГРАММНЫЕ КОМПЛЕКСЫ / SOFTWARE / РАСЧЕТЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ / STRUCTURAL ANALYSIS

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Белостоцкий А.М., Сидоров В.Н., Акимов П.А.

В статье рассмотрены современные методы математического моделирования тех-ногенной безопасности строительных объектов и комплексов мегаполисов и сформу-лированы некоторые общие рекомендации.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Белостоцкий А.М., Сидоров В.Н., Акимов П.А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MATHEMATICAL MOFELLING OF TECHNOLOGICAL SAFETY OF CONSTRUCTION PROJECTS OF MEGAPOLISES PART 2: SOPHISTICATED METHODS OF MOFELLING, SOME INFORMATION AND RECOMMENDATIONS

Sophisticated methods of mathematical modelling of technological safety of construction problems and several recommendations are under consideration in the distinctive paper.

Текст научной работы на тему «Математическое моделирование техногенной безопасности ответственных строительных объектов и комплексов мегаполисов часть 2: современные методы моделирования, некоторые сведения и рекомендации»

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОТВЕТСТВЕННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ И КОМПЛЕКСОВ МЕГАПОЛИСОВ ЧАСТЬ 2: СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ, НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ И РЕКОМЕНДАЦИИ

MATHEMATICAL MOFELLING OF TECHNOLOGICAL SAFETY OF CONSTRUCTION PROJECTS OF MEGAPOLISES PART 2: SOPHISTICATED METHODS OF MOFELLING, SOME INFORMATION AND RECOMMENDATIONS

А.М. Белостоцкий, В.Н. Сидоров, П.А. Акимов Alexander M. Belostotsky, Vladimir N. Sidorov, Pavel A. Akimov

ГОУ ВПО МГСУ

В статье рассмотрены современные методы математического моделирования техногенной безопасности строительных объектов и комплексов мегаполисов и сформулированы некоторые общие рекомендации.

Sophisticated methods of mathematical modelling of technological safety of construction problems and several recommendations are under consideration in the distinctive paper.

1. О современных методах математического моделирования.

Современный этап развития строительной механики, в частности задач определения напряженно-деформированного состояния (НДС) строительных конструкций, связан с широким использованием численных методов. Прогресс в компьютерной индустрии и вычислительной математике, продолжающийся последние десятилетия, обусловил изменение соотношения аналитических, экспериментальных (модельных и натурных) и численных подходов к анализу сложных конструкций, зданий и сооружений. Практика выдвигает задачи многовариантных исследований многомерных систем, адекватное решение которых может быть зачастую получено только численным путем. Как правило, найти замкнутое аналитическое решение для большинства проблем не представляется возможным, а экспериментальные исследования часто оказываются весьма дорогостоящими, а порой и неполными. Этим, в частности, и объясняется определенное превалирование численных методов, имеющее место, как в отечественной, так и в зарубежной расчетной практике. Вообще, на всех этапах изучения НДС сооружения математическая теория, исследования аналитическими и экспериментальными методами и численный расчет должны применяться совместно и согласованно [2].

В настоящее время лидирующее положение в практике инженерных расчетов строительных конструкций, зданий и сооружений занимает метод конечных элементов, являющийся мощным инструментом при проведении научных исследований. Он реализован в большом числе универсальных расчетных программных комплексов, отличающихся все более возрастающей степенью автоматизации генерирования сети

4/2010 М1 ВЕСТНИК

конечных элементов, формирования и решения огромного числа алгебраических уравнений, а также эффектными и эффективными средствами задания исходных данных и визуализации результатов (препроцессор и постпроцессор).

Огромная популярность метода конечных элементов привела к определенному кризису многих других эффективных численных методов, среди которых метод граничных элементов, вариационно-разностный метод, метод конечных разностей и т.д.

Достигнутый в начале 21 века уровень мощности ЭВМ и имеющийся в арсенале инструментарий аналитических математических средств, в сочетании с разнообразием математических моделей, позволяет ставить на повестку дня задачи разработки и исследования так называемых численно-аналитических или, следуя терминологии О. Зенкевича, полуаналитических методов. Преимущества сочетания качественных свойств замкнутых решений и общности численных методов отмечались и раньше, но многие из разработок прежнего времени либо были не реализуемыми практически из-за отсутствия, по крайней мере, одного из перечисленных факторов, либо, в той или иной мере, не учитывалась вычислительная специфика и необходимость последующей компьютерной реализации. Полуаналитические методы позволяют получать решения в аналитической форме, способствующей улучшению качества исследования рассматриваемых объектов. Найденная с их помощью картина НДС развивает интуицию расчетчика и понимание работы конструкций, характера влияния на них различных локальных и глобальных факторов. Полуаналитические подходы особенно эффективны в зонах краевого эффекта, там, где часть составляющих решения представляет собой быстроизменяющиеся функции, скорость изменения которых не всегда может быть адекватно учтена традиционными численными методами [2].

Так, например, область применения разработанных дискретно-континуальных методов (дискретно-континуальный метод конечных элементов (ДКМКЭ) и дискретно-континуальный вариационно-разностный метод (ДКВРМ)) составляют конструкции, здания и сооружения, в которых имеется постоянство (регулярность) физико-геометрических характеристик (параметров) по одному из координатных направлений (рис. 1). Для расчета ответственных объектов исключительно важно построить точное аналитическое решение вдоль направления регулярности при любых воздействиях и промежуточных закреплениях, стыковках и т.д. Под точным аналитическим решением понимается наличие явной формулы вычисления НДС конструкции в произвольной точке сечения. Соответствующая формула в явном виде демонстрирует характер поведения вычисляемых факторов (перемещений, их производных и т.д.). Методы являются дискретно-континуальными в том смысле, что по выделяемому направлению постоянства и регулярности характеристик сохраняется континуальный характер задачи и, соответственно, аналитический (абсолютно точный) вид получаемого решения, в то время как по остальным производится дискретизация того или иного рода с обоснованно контролируемой степенью точности [2].

2. Некоторые рекомендации.

При всей «уникальности» обозначенных проблем обеспечения комплексной техногенной безопасности мегаполиса в части прогнозного математического моделирования состояния потенциально опасных объектов рецепты их решения весьма универсальны [1]:

- изучение мирового опыта, уроков аварий;

- разработка и совершенствование новых методов расчета, нормативно-методической базы, программно-алгоритмического обеспечения и систем мониторинга по указанным направлениям;

Рис. 1. Примеры объектов применения дискретно-континуальных методов.

- планомерная подготовка квалифицированных специалистов-расчетчиков, затрудненная сейчас общим снижением образовательного уровня, престижности и степени мотивации научно-технической деятельности;

- регламентация деятельности надзорных органов, разумно минимизирующая их административное вмешательство в условиях непросто складывающегося рынка наукоемких услуг.

Некоторое «движение» в требуемом направлении в последнее время обозначено и правительственном уровне, но при таких весьма невысоких темпах продвижения мы обречены догонять ситуацию, оперативно не отвечая на вызовы времени.

3. О деятельности Научного Совета Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН) «Программные средства в строительстве и архитектуре».

Для обсуждения и решения задач, а также выработке рекомендаций по актуальным вопросам научно-исследовательской и научно-технической деятельности в области компьютерного моделирования работы зданий и сооружений в 2006 году был создан Научный Совет РААСН «Программные средства в строительстве и архитектуре» под председательством профессора Владимира Николаевича Сидорова.

В состав совета входят 46 членов, среди которых 6 действительных членов и 7 членов-корреспондентов РААСН.

В задачи Научного совета входит обсуждение и решение задач, а также выработка рекомендаций по актуальным вопросам научно-исследовательской и научно-технической деятельности в области компьютерного моделирования работы зданий и сооружений, таких как:

4/2010

ВЕСТНИК .МГСУ

- моделирование взаимодеиствия сооружении с грунтовым основанием;

- учет физической, геометрической и других нелинейностей;

- учет конструктивных и технологических особенностей сооружения;

- компьютерное материаловедение;

- моделирование ветровых нагрузок;

- расчет на сейсмические воздействия;

- расчет на вибрационные воздействия;

- расчет на прогрессирующее обрушение,

- совершенствование и разработка численных и численно-аналитических методов расчета конструкций и сооружений и др.,

а также - вопросов в области экспертизы расчетов зданий и сооружений с использованием программных комплексов, таких, как:

- квалификационная проверка и аттестация специалистов;

- экспертиза программных средств;

- экспертиза расчетов ответственных зданий и сооружений.

Основной темой заседаний Совета в 2009-2010 гг. было проведение верификации программных комплексов, используемых российскими проектными, конструкторскими и научно-исследовательскими организациями для выполнения расчетов с целью оценки прочности и живучести строительных конструкций и сооружений.

Верификация программных комплексов проводилась в соответствии с «Положением о верификации программных средств, применяемых при определении напряженно-деформированного состояния, оценке прочности и деформативности конструкций и сооружений», принятой Научным советом РААСН «Программные средства в строительстве и архитектуре» и утвержденной Президиумом РААСН.

На заседаниях в 2009-2010 годах Научным советом была проведена верификация программного комплекса «М1сгоРБ» на базе ООО ЦНИИПСК им. Мельникова с выдачей сертификата РААСН утвержденного образца. На базе Научно-образовательного центра компьютерного моделирования уникальных зданий, сооружений и комплексов МГСУ также была выполнена верификация программного комплекса «АКБУБ» (рис. 2).

Рис. 2. Свидетельства о верификации: а) М1сгоББ; б) АЫБУБ.

4. О Научно-образовательном центре компьютерного моделирования уникальных зданий, сооружений и комплексов МГСУ (НОЦ КМ МГСУ).

Научным руководителем Научно-образовательного центра компьютерного моделирования уникальных зданий, сооружений и комплексов МГСУ является профессор

Александр Михайлович Белостоцкий. Следует отметить, что Центр оснащен мощным вычислительным кластером из 8-и 4-х процессорных ядер (32-процессорный) и по-настоящему уникальным программным обеспечением. Это, в частности, и универсальные конечноэлементные программные комплексы, и системы, ориентированные на решение конкретных прикладных задач, а также исследовательское программное обеспечение.

Рис. 3. Научно-образовательный центр компьютерного моделирования уникальных зданий, сооружений и комплексов МГСУ: а) Занятия в НОЦ КМ; б) кластер

Исследования проводились в рамках следующих работ:

1. Грант МД-4641.2009.8 Президента Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований молодых российских ученых-докторов наук «Разработка и развитие корректных дискретно-континуальных методов статического и динамического расчета строительных конструкций, зданий и сооружений на основе построения точных аналитических решений многоточечных краевых задач строительной механики» на 2009-2010 гг.;

2. Грант №09-08-13697 Российского фонда фундаментальных исследований «Разработка, исследование и развитие корректных численно-аналитических методов расчета строительных конструкций, зданий и сооружений регулярной структуры» на 2009-2010 гг.;

3. НИР «Разработка теории и алгоритмов построения корректных аналитических решателей многоточечных краевых задач применительно к расчетам строительных конструкций», выполняемой по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (регистрационный номер: 2.1.2/6414);

4. Грант НШ-8684.2010.8 Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации «Многоуровневые численные, аналитические и экспериментальные методы исследования прочности зданий и сооружений с учетом конструктивных и физических особенностей» на 2010-2011 гг.

Литература

1. Белостоцкий A.M. Прогнозное математическое моделирование состояния и техногенной безопасности ответственных объектов и комплексов мегаполиса. // Вестник МГСУ, №3, 2006, с. 40-61.

4/2010 М1 ВЕСТНИК

2. Золотов А.Б., Акимов П.А., Сидоров В.Н., Мозгалева М.Л. Численные и аналитические методы расчета строительных конструкций. - М.: Издательство АСВ, 2009. - 336 с.

The literature

1. Belostotsky A.M. Predictive Mathematical Modelling of Technological Safety of Critical Objects and Complexes of megalopolis. // Bulletin MSUCE, 3, 2006, pp. 40-61 (in Russian).

2. Zolotov A.B., Akimov P.A., Sidorov V.N., Mozgaleva M.L. Numerical and Analytical Methods of Structural Analysis. Moscow, "ASV", 2010, 336 pages (in Russian).

Ключевые слова: математическое моделирование, численные методы, дискретно-континуальные методы, программные комплексы, расчеты строительных объектов

Keywords: mathematical modelling, numerical methods, discrete-continual methods, software, structural analysis

e-mail авторов: stadvo@,stadvo.ru: sidorov.vladimir@gmail.com: pavel.akimov@gmail.com.

Рецензент: В.И. Андреев член корр. РААСН, проф. д.т.н.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.