CC BY
23
ВЕСТНИК 4/2010
РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ СООРУЖЕНИЙ С УЧЕТОМ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИИ
VALIDATION CALCULATION OF STRUCTURES IN CONSIDERATION OF DYNAMIC INFLUENCE OF TECHOLOGICAL EQUIPMMENT UNDER EARTHQUAKE
A.B. Дейнеко
ОАО «Институт Гидропроект»
Изложен современный подход к расчетным исследованиям напряженно-деформированного состояния сооружений. Отмечены направления совершенствования методики исследований. Рассмотрен вопрос об учете влияния массивного технологического оборудования на напряженно-деформированное состояние сооружения при сейсмическом воздействии
A modern approach in validation calculation of stress-strain state of structures is considered. Ways of improvement of methodology of analyses are highlighted. A problem of taking into consideration of influence of massive technological equipment under seismic load is considered.
В современном проектировании нарастают требования к расчетным исследованиям напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «сооружение - основание» («подземное сооружение - вмещающий массив») с последующим выполнением конструктивных расчетов (например, подбор армирования железобетонных конструкций). Особенно эта тенденция выражена при проектировании зарубежных объектов, где в условиях научно-технического сотрудничества пересекается инженерный опыт, привезенный иностранными консультантами из различных развитых стран. В качестве примера можно привести проектирование при участии российских специалистов гидроэлектростанции Шон Ла на реке Да (Вьетнам) [1], которая строится в сейсмоопас-ном районе (8 баллов) и должна стать самой крупной в Юго-Восточной Азии.
Расчетные исследования НДС выполняются, как правило, на основе метода конечных элементов в пространственной постановке с использованием многоцелевых универсальных программных комплексов конечно-элементного анализа. Современное проектирование требует налаженного взаимодействия расчетных программ с системами автоматизированного проектирования (САПР) [2, 3]. Их взаимодействие носит двухсторонний характер: из САПР поступает исходная информация для разработки конечно-элементной модели (КЭ-модели); обратно передаются результаты расчетов.
В ходе расчетных исследований НДС системы «сооружение - основание» решаются следующие задачи:
• обеспечение инженерной безопасности (назначение критериев безопасности, разработка сценариев аварии, обеспечение сейсмостойкости);
• оценка запасов общей прочности и устойчивости с точки зрения нормативных требований и предельных состояний;
• оптимизация проектных решений исходя из их влияния на НДС, прочность и устойчивость сооружения;
• конструктивные расчеты отдельных строительных конструкций (подбор армирования железобетонных конструкций, проверка поперечных сечений стальных конструкций).
С одной стороны, в круг решаемых задач входят вопросы инженерной безопасности, общей прочности и устойчивости сооружения, что требует построения весьма общих математических моделей, охватывающих зачастую целый комплекс сооружений и большой объем основания с учетом напластования грунтов, тектонических разломов в скальном основании. С другой стороны, необходимо выполнять конструктивные расчеты, что требует местной детализации расчетной схемы (требуется учесть всевозможные проемы, места размещения оборудования).
Некоторое противоречие между этими двумя группами задач - только кажущееся, потому что и то, и другое требует детализации КЭ-модели, хотя эта детализация происходит в разных геометрических масштабах. Но в обоих случаях работа идет в направлении повышения числа конечных элементов в модели, что, в конченом счете, ведет к росту числа степеней свободы системы.
Основным практическим ограничением при разработке КЭ-моделей является время компьютерного счета. Определенный прогресс можно ожидать благодаря ускорению расчетов с использованием графических процессоров технологии СиБА, что позволяет ускорить расчеты на обычных персональных компьютерах за счет использования общей оперативной памяти и значительного параллелизма [4]. Графические процессоры (обычно они используются в графических ускорителях компьютерных видеоадаптеров) основаны на многоядерной архитектуре, и их быстродействие с учетом параллельных вычислений в последние годы значительно превышает быстродействие обычных центральных процессоров. Исследования российских учетных показали, что в задачах механики упругопластического тела удается достигнуть 200-кратного ускорения за счет перехода к параллельным вычислениям.
В целом, с учетом современных требований к проектированию, расширение использования результатов расчетных исследований НДС системы «сооружение - основание» для последующего выполнения конструктивных расчетов является в настоящее время направляющим вектором развития методики расчетных исследований. Расчеты отдельных конструкций (перекрытие, колонна) в составе комплексного расчета системы «сооружение - основание» позволяют получить:
• наиболее точные результаты, учитывающие влияние всего комплекса воздействий на сооружение (температурных, сейсмических, от технологического оборудования);
• сокращение затрат труда на аналитические и фрагментарные компьютерные инженерные расчеты отдельных строительных конструкций;
• повышение эффективности использования результатов за счет их экспорта из расчетных программ в САПР (например, результаты расчета армирования в САПР совмещаются с арматурными чертежами).
К числу важных направлений развития расчетных исследований следует отнести разработку и внедрение методики учета влияния массивного технологического оборудования (гидроагрегаты, трансформаторы) на НДС сооружения. Схема взаимодейст-
ВЕСТНИК МГСУ
4/2010
вия оборудования с сооружением с позиций учета влияния оборудования на строительные конструкции представлена на рис. 1.
Ключевой, с точки зрения учета нагрузок и воздействий от оборудования, является природа воздействия. Для силовых и температурных нагрузок - это внутренний технологический процесс в оборудовании, протекание которого не зависит от конструктивных и компоновочных особенностей сооружения и грунтов основания. Поэтому проектирование оборудования может осуществляться независимо от сооружения, считая, что оборудование опирается на фундамент, отвечающий заданным требованиям. Силовые воздействия оборудования на фундамент (опоры, анкеры и т.д.) и температурные воздействия (непосредственно на опорную конструкцию, на тепловой режим помещения в целом) в этом случае могут быть определены разработчиками оборудования и переданы для проектирования сооружения.
Иначе обострит дело с сейсмическими нагрузками, которые зависят как от самого оборудования (его массы и конструктивных особенностей), так и от ускорения фундамента (опор) оборудования при сейсмическом воздействии. Ускорение фундамента, в свою очередь, определятся общей реакцией сооружения на сейсмическое воздействие, и зависит от места расположения фундамента, конструктивных и компоновочных особенностей сооружения и основания. В зависимости от того, какое ускорение будет передано на оборудование, на сооружение будут предаваться соответствующее сейсмическое воздействие от оборудования.
НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ ОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
1
1 1 1
Силовые Температурные Инер и ионные (сейсмические)
1 1
1 г
Внутренний технологический процесс
Источник данных о воздействии
Способ расчета
Передача ускорения сооружения на массу оборудования
Данные разработчики Нагрузки определяются самим расчетом
1 1
Приложение заданных нагрузок Учет массы оборудования в системе «сооружение-основание»
1
РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
Рис. 1. Схема учета взаимодействия технологического оборудования с сооружением
Важность учета влияния оборудования на НДС сооружения вызвана величиной сейсмических воздействий. Например, на ГЭС Шон Ла пиковое ускорение на дневной поверхности равно 2,3 м/с2, и в случае резонанса может увеличиться до 6,0 м/с2. Это позволяет судить о возможных величинах сейсмических сил: ускорение 1,0 м/с2 создает сейсмическую силу величиной 1 кН на 1000 кг массы. Поэтому величины динамических воздействий от оборудования при землетрясении могут достигать значительных с точки зрения проектирования сооружений величин благодаря большой массе некоторых видов оборудования, таких как трансформаторы ГЭС массой порядка 300. ..400 т.
Учет массы оборудования при расчете системы «сооружение - основание» возможен несколькими способами, отличающимися степенью детализации взаимодействия системы «оборудование - строительные конструкции» как показано на рис. 2.
На схеме показано, что точность учета взаимодействий в системе «оборудования - сооружение» будет возрастать по мере детализации представления оборудования в конечно-элементной модели. В перовом случае, при задании сосредоточенной массы в местах опирания оборудования, расчетная схема будет наиболее проста. Однако остается неучтенным распределение массы по объему оборудования и эксцентриситет фактического центра массы относительно точки ее приложения.
Как представляется, значительное приближение расчетной схемы к воспроизведению действительного характера исследуемого взаимодействия достигается во втором случае при моделировании оборудования объемом эквивалентной плотности. При этом могут быть воспроизведены условия контакта оборудования и сооружения (возможность отрыва от опорной площадки, смещения катучих опор), а само оборудование моделируется приближенно в виде объема эквивалентной плотности. Неучтенными остаются динамические взаимодействия внутри оборудования при сейсмическим воздействии, которые, в определенных случаях, могут привести к перераспределению динамических воздействий от оборудования на сооружение. В целом, способ объемов эквивалентной плотности хорошо подходит при моделировании оборудования несложной формы со сравнительно равномерным распределением массы, такого как маслонаполненный трансформатор на электростанции.
Способ внедрения в конечно-элементную модель сооружения конечно-элементной модели оборудования позволит наиболее точно учесть динамические взаимодействия при землетрясении. Вместе с тем, этот способ наиболее требователен
ВЕСТНИК 4/2010
к вычислительным ресурсам ПЭВМ (которые, как отмечено выше, являются основным практическим ограничителем детализации конечно-элементных моделей), и пока не внедрен в практику расчетных исследований.
Важно отметить, что проблематика учета силовых (включая динамические при землетрясении) и температурных воздействий от оборудования нарастает, в том числе, благодаря тенденции к усложнению современного оборудования. Так, на ГЭС Шон Ла применены гидроагрегаты конструкции ЛЬБТОМ китайского производства. Новизна их с точки зрения расчета сооружений состоит в том, что опорные спицы гидроагрегата повернуты под углом, а узлы опирания предают на опорные площадки в уровне перекрытия машзала не только усилие сжатия (навала на опорную площадку), но и растяжения (отрыва от опорной площадки). Схема мгновенного распределения нагрузок приведена на рис. 3 (вектор равнодействующий силы вращается вместе с агрегатом).
Из изложенного следует, что тенденция к расширению использования комплексных расчетных исследований НДС систем «сооружение - основание» для выполнения конструктивных расчетов (прежде всего по определению армирования железобетонных конструкций), как представляется, в обозримой перспективе будет оказывать большое влияние на развитие теории и практики расчетных исследований, и формирование конкурентного рынка соответствующих инжиниринговых услуг.
0,11?
Рис. 3. Схема мгновенного распределения нагрузок от гидроагрегата на 16 опор при двойном коротком замыкании, Х(^,Т) - равнодействующая сила
Поэтому представляется необходимым актуализировать научно-практическую работу по внедрению современных достижений в области расчетных исследований НДС, в том числе с учетом динамического влияния технологического оборудования при переходных процессах и при сейсмических воздействиях. Особое значение для обеспечения успешного внедрения результатов расчетных исследований в проектирование имеет интеграция расчетных программ и САПР, особенно в части передачи результатов расчетов в САПР, и решение сопутствующих вопросов стандартизации [5-7].
Литература
1. Волынчиков А.Н., Мгалобелов Ю.Б. Обоснование надежности основных сооружений гидроузла Шон Ла во Вьетнаме. //Гидротехническое строительство, №12/2007. С. 23-38.
2. Дейнеко А.В. Обмен данными в автоматизированном проектировании. //Строительное проектирование, №2/2009. С. 90-93.
3. Дейнеко А.В. Использование внешних данных в автоматизированном проектировании. //Строительное проектирование, №3/2009. С. 41-46.
4. Евстигнеев Н.М. Ускорение расчетов инженерных задач, приводимых к эллиптическим операторам, с использованием графического процессора технологии CUDA. //Строительное проектирование, №2/2009. С. 55-60.
5. Дейнеко А.В. Нормоконтроль в автоматизированном проектировании. //Строительное проектирование, №2/2007. С. 57-59.
6. Дейнеко А.В. Автоматизированный нормоконтроль и вопросы совместной работы в учебном проектировании. //Научно-методические основы двухуровневой системы образования (состояние, перспективы развития). Всероссийская научно-практическая конференция. - М. МИКХиС, 2008. С. 41-46.
7. Семенов В.Н. Государственный образовательный стандарт и градостроительный кодекс РФ (к вопросу качества подготовки дипломированного специалиста по направлению «Строительство») //Строительное проектирование, №6/2008. С. 32-70.
Ключевые слова. Расчеты сооружений, метод конечных элементов, напряженно-деформированное состояние, сейсмическое воздействие, динамическое воздействие, технологическое оборудование, гидротехнические сооружения.
Key words. Validation calculation of structures; finite elements method; stress-strain state; seismic load; dynamic load; technological equipment; hydraulic structure.
