Как повысить точность расчёта мостового сооружения?

Спектр взаимодействий программных комплексов midas Civil и midas FEA NX довольно широк. Например, midas FEA NX поможет инженеру выполнить расчет сложных узлов конструкции, выполнение которого в midas Civil потребует гораздо большего времени. Кроме того, midas FEA NX обладает гораздо более широкими возможностями в области генерации геометрии и сеток конечных элементов, что, в свою очередь, позволяет и midas Civil работать со сложной геометрией.

Но, помимо прочего, midas FEA NX оказывает помощь инженеру и при выполнении анализа общей работы конструкции — позволяет учитывать взаимодействие сооружения с грунтом основания. Зачастую при расчёте мостовых сооружений основание описывается условно. В некоторых случаях просто выполняются закрепления по концам опор, в других назначаются коэффициенты постели. Однако следует помнить, что грунт — среда со сложным поведением. Приблизительные способы учета работы грунта негативно влияют на качество результатов расчёта.

Для решения задачи корректного моделирования взаимодействия сооружения с грунтовым массивом и оценки влияния процессов, происходящих в грунте основания, на конструкцию в целом потребуется воспользоваться специализированным геотехническим программным комплексом. В нем акцент сделан именно на работе грунта, присутствует большое количество математических моделей, с помощью которых это поведение можно точно описать, а также есть инструменты для быстрого моделирования основания.

Оптимальный вариант решения задачи проектирования мостового сооружения в таком случае — комбинация программных комплексов:

  1. Моделирование самого сооружения, начальные расчёты (без точного учета основания) можно выполнить в midas Civil — программном комплексе, созданном специально для решения подобных задач.
  2. После создания модели моста ее можно импортировать в специализированный геотехнический комплекс midas FEA NX, предназначенный для комплексных расчётов, и получить результаты работы сооружения с учетом нелинейных свойств основания.
  3. Далее вернуться в midas Civil, где с помощью результатов midas FEA NX завершить работу над сооружением и выполнить необходимые проверки.

Пример взаимодействия описан в данной статье, а детальная работа в программных комплексах описана в видео:

Два программных комплекса входят набор midas TSS Bridge, который позволяет применять в связке взаимодополняющие продукты: midas Civil + midas FEA NX

midas TSS Bridge

В результате растет эффективность работы, повышается качество проектов и сокращаются сроки, а новая модель предоставления лицензий в виде подписок обеспечивает регулярную техническую поддержку и обновление ПО, унифицирует и упрощает процесс использования программ.

Моделирование в midas Civil: Этап 1

Процесс моделирования в midas Civil будет разделен на 2 этапа: создание расчетной модели с подготовкой данных для последующего импорта в midas FEA NX и уже после получения необходимых результатов, после расчета модели в midas FEA NX, — повторный анализ расчетной модели.

В данной статье не будет рассматриваться алгоритм создания расчетной модели в midas Civil, акцент будет сделан только на том функционале, который будет требоваться для выполнения алгоритма взаимодействия программных комплексов. Все прочие аспекты моделирования подробно описаны в вебинарах, размещённых на нашем YouTube канале MIDAS Software Russia.

Следует отметить, что модель сооружения, рассматриваемого в данной статье, довольно простая, поскольку наша цель — демонстрация алгоритма взаимодействия между двумя программными комплексами. Данный алгоритм остается неизменным при работе с моделями любой степени сложности.

Описание расчетной модели

Сооружение представляет собой трехпролетное неразрезное железобетонное мостовое сооружение. В модели также учитывается наличие крайних опор и элементов сопряжения (переходная плита).

На сооружение действуют постоянные нагрузки от собственного веса, мостового полотна и элементов обустройства. Также на сооружение заданы подвижные нагрузки АК-расчетная и АК-нормативная.

Отдельное внимание следует обратить на граничные условия на промежуточных опорах. В модели отсутствуют элементы фундамента, а по низу стоек опор заданы всесторонне неподвижные опоры.

Общий вид модели
Рисунок 2.1. Общий вид модели

Граничные условия на промежуточной опоре
Рисунок 2.2. Граничные условия на промежуточной опоре

Расчет модели и подготовка к экспорту данных в midas FEA NX

Выполним расчет модели. Известно, что в данном случае осадку сооружения будет вызывать эффект от постоянной нагрузки, а также от временной. Но в данном случае инженер может столкнуться со следующими трудностями:

  • midas FEA NX не поддерживает подвижную нагрузку, то есть требуется задать такую статическую нагрузку, которая будет эквивалентна подвижной нагрузке в случае максимальной осадки опор.
  • Как упоминалось ранее, расчет взаимодействия сооружения с грунтовым массивом нелинейный, в частности, при таком расчете не будет работать принцип независимости действия сил. В модели заданы несколько нагрузок — их следует преобразовать в одну. В противном случае, если просматривать результаты от каждой нагрузки в отдельности, а после их элементарно суммировать, будут получены некорректные результаты.

Обе описанные выше задачи можно решить при помощи внутреннего функционала midas Civil.

Преобразование подвижной нагрузки в статическую

В midas Civil есть отдельный блок результатов, позволяющий работать с временными нагрузками. Но, помимо просмотров линий и поверхностей влияния, а также визуальной демонстрации положения временной нагрузки, в данном блоке есть опция преобразования подвижной нагрузки в статическую в зависимости от критериев ее положения.

Вкладка «Пакетное преобразование в статическую нагрузку»
Рисунок 2.3. Вкладка «Пакетное преобразование в статическую нагрузку»

Логично предположить, что максимальная осадка промежуточных опор будет достигнута в случае, когда вертикальная реакция FZ в граничных условиях по низу стоек будет максимальной. При этом случаи максимальной вертикальной реакции будут у каждой стойки свои, так как у каждой реакции будет своя линия влияния. В данном случае не требуется анализировать ни ординаты линии влияния, ни характер грунтового основания — можно преобразовать подвижную нагрузку в статическую для всех случаев в отдельности, а в дальнейшем анализировать огибающий эффект от полученных значений осадок.

Можем переходить в окно преобразования подвижной нагрузки в статическую:

Окно пакетного преобразования подвижной нагрузки в статическую
Рисунок 2.4. Окно пакетного преобразования подвижной нагрузки в статическую

Работа в данном окне сводится к простому алгоритму:

  1. В графе «Имя» требуется ввести имя для будущей преобразованной нагрузки.
  2. Из выпадающего списка «Вид» требуется выбрать критерий преобразования подвижной нагрузки в статическую.

  3. В зависимости от выбора в списке «Вид» программой будет предложено ввести номер узла или элемента (и его части), который является определяющим в ходе преобразования.

  4. В графе «Компоненты» инженеру требуется выбрать компоненту реакции/перемещения/усилия, для которого требуется пакетное преобразование.

  5. После выполнения всех предыдущих шагов необходимо нажать кнопку «Добавить». Заполненный критерий будет добавлен в список ниже. Любой из созданных случаев преобразования можно как редактировать, так и удалить.

  6. В заключение требуется указать путь сохранения файла в графе «Имя файла», выбрать из созданных случаев преобразования те, которые необходимо сохранить, и нажать «Применить». По результату будет сгенерирован файл *.mct. Данный файл будет содержать команды для генерации статической нагрузки.

Выберем тип загружения — максимальную АК нормативную (расчетный коэффициент к эффектам осадки будет добавлен позднее), выделим узлы по низу стоек (графа «Выбранный узел» заполнится автоматически), выберем компоненту реакции FZ и нажмем «Добавить». После файл можно сохранить.

Файл будет иметь следующую структуру:

Сгенерированный файл пакетного преобразования подвижной нагрузки в статическую
Рисунок 2.5. Сгенерированный файл пакетного преобразования подвижной нагрузки в статическую

Далее перейдем во вкладку «Инструменты» и откроем «Командную оболочку». Выделим весь текст в сгенерированном файле пакетного преобразования, скопируем и вставим текст в командную оболочку и нажмем «Запустить». В результате midas Civil предложит удалить данные расчета (соглашаемся), и в модели выполнится генерация дополнительных статических нагрузок.

Сгенерированные варианты статической нагрузки
Рисунок 2.6. Сгенерированные варианты статической нагрузки

На этом этапе была решена первая задача — данный тип нагрузок можно учесть в midas FEA NX.

Создание сочетаний нагрузок. Преобразование сочетаний нагрузок в загружения

Далее создадим сочетания нагрузок, которые будут включать в себя нормативное значение постоянных нагрузок, а также каждую пакетно преобразованную подвижную нагрузку в статическую по отдельности. В данном примере получится 6 сочетаний.

Созданные сочетания нагрузок
Рисунок 2.7. Созданные сочетания нагрузок

Далее потребуется воспользоваться специальной функцией преобразования сочетания нагрузок в вариант нагрузки. Для этого следует перейти во вкладку «Нагрузки» и выбрать «Используя сочетания нагрузок».

Функция генерации загружений, используя сочетания нагрузок
Рисунок 2.8. Функция генерации загружений, используя сочетания нагрузок

Откроется дополнительное окно. В нем потребуется перенести ранее созданные сочетания нагрузок в правый столбец, а после этого можно нажать «Применить». Внизу окна указан список типов нагрузок в сочетании, которые можно преобразовать в загружение.

Окно преобразования сочетаний нагрузок в загружение
Рисунок 2.9. Окно преобразования сочетаний нагрузок в загружение

После применения данной функции будет выполнена генерация новых загружений.

Сгенерированные загружения на основе сочетаний нагрузок
Рисунок 2.10. Сгенерированные загружения на основе сочетаний нагрузок

Таким образом, были решены все задачи, которые предшествуют экспорту расчетной модели из midas Civil в midas FEA NX.

Экспорт модели в midas FEA NX

Для экспорта модели следует перейди по вкладку «Меню», нажать «Экспорт» и из списка выбрать «Файл MXT (для midas FEA/GTS)».

Экспорт модели
Рисунок 2.11. Экспорт модели

На этом первый этап работы в midas Civil завершен.

Моделирование midas FEA NX

Моделирование в midas FEA NX — обширная тема. Все аспекты моделирования подробно описаны в вебинарах, размещённых на нашем YouTube канале MIDAS Software Russia. В этой статье тема моделирования не будет подробно освещаться. Некоторые этапы будут пропущены.

Импорт

Файл, созданный в midas Civil, можно открыть в midas FEA NX. После переноса модели, помимо конечных элементов, будут также перенесены и все созданные нагрузки, граничные условия, материалы и свойства.

Результат импорта
Рисунок 3.1. Результат импорта

Все перенесённые элементы можно в любой момент отредактировать. Это касается как сетки конечных элементов, так и материалов и свойств.

Перед началом моделирования и расчёта в midas FEA NX можно удалить нагрузки и граничные условия, которые не будут использоваться, также для удобства есть возможность перегруппировать наборы конечных элементов.

Важно контролировать нагрузки от собственного веса перед продолжением работы, чтобы избежать дублирования такой нагрузки. Это может произойти из-за того, что материалы переносятся с параметром удельного веса. Этот параметр будет использоваться при назначении нагрузки «собственный вес» в самом midas FEA NX. Однако нужно помнить, что в загружениях уже учтен собственный вес моста. Таким образом, удельный вес материалов моста в некоторых случаях следует обнулить.

После импорта и внесения необходимых изменений можно приступать к моделированию массива.

Геометрия

Моделирование геометрии в midas FEA NX может осуществляться с помощью различных инструментов. Может быть выполнено как моделирование с нулевого этапа встроенным в midas FEA NX CAD-моделлером, так и выполнение геометрических преобразований дополнительно загруженных элементов.

Выбор того или иного пути моделирования зависит исключительно от удобства для инженера и наличия тех или иных исходных данных.

Так, например, в midas FEA NX предусмотрен инструмент построения поверхностей, основанный на данных по скважинам, что значительно ускоряет процесс моделирования, а также инструмент формирования поверхности на основе топографической карты местности.

Различные варианты формирования геометрии
Рисунок 3.2. Различные варианты формирования геометрии

При формировании геометрии были использованы все описанные выше методы. Для дополнительных элементов, таких как выемка и насыпь, были загружены дополнительные геометрические элементы.

Импортированная геометрия
Рисунок 3.3. Импортированная геометрия

Для описания массива использовались инструменты работы с поверхностями.

Результат работы инструмента «Bedding Plane» и «Terrain Geometry Maker»
Рисунок 3.4. Результат работы инструмента «Bedding Plane» и «Terrain Geometry Maker»

Дальнейшая работа представляет собой комбинацию инструментов преобразования двухмерных объектов в трёхмерные с последующим применением инструментов взаимодействия как твердотельных объектов друг с другом, так и твердотельных объектов с поверхностями.

Геометрия грунтового массива
Рисунок 3.5. Геометрия грунтового массива

При создании геометрии грунта основания необходимо заранее продумать формирование контакта между мостом и грунтом основания. В текущей задаче можно использовать два способа: прямая узловая связь и создание элемента контакта. Для прямой узловой связи необходимо предусмотреть точки на смежных поверхностях, так, например, точки опор и свай на ростверке, также точки краевых опор.

Отпечатки точек на твердотельных элементах
Рисунок 3.6. Отпечатки точек на твердотельных элементах

Таким образом, предусмотрев точки, сетка будет разбита с их учетом, что позволит получить общий узел между необходимыми элементами. Создание контакта выполняется в большинстве случаев автоматически и не требует дополнительных действия. Выбор того или иного способа зависит от конкретной ситуации и результатов, которые необходимо проанализировать. По умолчанию прямая узловая связь является предпочтительной, так как более универсальна.

Сетка

После формирования геометрии можно приступить к генерации конечных элементов. Для этого помимо материалов и свойств моста следует добавить также материалы и свойства для грунтов. Материал грунтов можно формировать с помощью различных математических моделей. Позволяющих точно описывать их описание. В этой задаче использовалась модель «Hardening Soil». Подробнее об этой модели можно узнать в статье: Почему не Mohr-Coulomb? Применение модели Hardening Soil.

Сам процесс формирования как материалов и свойств, так и сетки конечных элементов неоднократно описан во многих наших материалах.

Конечно-элементная модель
Рисунок 3.7. Конечно-элементная модель

В итоге формирования всех наборов конечных элементов помимо грунта также были смоделированы сваи и ростверк. Параметры для описания контакта сваи с грунтом можно получить при помощи утилиты «Свайный интерфейс». С помощью этой утилиты определяются жесткости для интерфейсных конечных элементов по боковой поверхности сваи и под нижним концом сваи на основе несущей способности одиночной сваи и ее предельной осадки, определенной в соответствии с СП 24.13330.2016.

Сваи и ростверк
Рисунок 3.8. Сваи и ростверк

Также при моделировании добавлены элементы контакта в областях, где не сформирована прямая узловая связь, а именно, контакта между насыпью и мостом.

Процесс формирования конечных элементов в midas FEA NX автоматизирован. Пользователю нужно лишь выделать область формирования, свойства, которые необходимо присвоить конкретным элементам, и максимальный размер конечных элементов области. Далее мешер midas FEA NX выполнит генерацию самостоятельно, формируя по умолчанию прямую узловую связь между разными наборами конечных элементов (кроме элементов моста, т. к. они созданы в другом программном комплексе).

Нагрузки и граничные условия

Следующим этапом необходимо добавить недостающие нагрузки и граничные условия. Эти элементы вариативны и зависят от типа выполняемого расчёта. Для выполнения статической задачи определения НДС необходимо соблюсти закрепление модели в пространстве при помощи граничных условий «Ограничение перемещений». Также необходима статическая нагрузка «Собственный вес». Остальные нагрузки уже перенесены из midas Civil.

Создание ограничений перемещений и нагрузки собственного веса автоматизированы в midas FEA NX.

Готовая модель
Рисунок 3.9. Готовая модель

Задание стадийности

Для решения задачи требуется задать основные этапы возведения, начиная с первого этапа расчёта НДС естественного состояния грунта. При задании стадийности нужно учесть и то, что необходимо получить результаты по 6 сочетаниям нагрузок. Для учёта всех сочетаний последняя стадия расчёта выполняется несколько раз для разных сочетаний.

Стадийность
Рисунок 3.10. Стадийность

В итоге модель содержит следующие стадии:

  • Начальное состояние
  • Выемка грунта под фундамент
  • Возведение фундамента и отсыпка насыпи
  • Возведение моста
  • Приложение нагрузок

Анализ результатов

После выполнения расчёта пользователю доступны все компоненты НДС в качестве результатов. Доступны данные по перемещениям, напряжениям, как в массиве грунта, так и в конструктивных элементах и усилия в конструктивных элементах. Результаты можно анализировать различными инструментами, доступными в midas FEA NX. С помощью встроенного функционала можно получить данные по любому интересующему узлу или элементы, в виде изополей результатов, таблиц или графиков.

Результаты расчёта
Рисунок 3.11. Результаты расчёта

Помимо этого, можно сохранить часть результатов для использования в midas Civil и дальнейшей работе там с учетом корректной работы грунта. Результаты могут быть выделены для узлов с граничными условиями связей, которые определены в соответствии с набором расчетов и шагами, выбранными пользователем. Также выбирать произвольные узлы для вывода. И только для тех узлов, где был задан комплект нагрузок. В качестве результатов могут быть выделены реакции по различным компонентам (Все, FX, FY, FZ, MX, MY, MZ), так и перемещения по различным компонентам (Все, DX, DY, DZ).

Запись результатов для нижних узлов стоек
Рисунок 3.12. Запись результатов для нижних узлов стоек

По результату повторного расчёта последней стадии с приложением следующих сочетаний нагрузки, сформированы результаты в текстовом виде для импорта в midas Civil.

Набор текстовых фалов для импорта в midas Civil
Рисунок 3.13. Набор текстовых фалов для импорта в midas Civil

Решая приведённую в статье задачу, полученные результаты далее следует перенести в midas Civil, где будет продолжена работа с конструктивом.

Моделирование в midas Civil: Этап 2

Возвращаемся в midas Civil. В первую очередь требуется выполнить импорт результатов перемещений узлов низа стоек. Для этого следует зайти во вкладку «Меню», нажать «Импорт» и выбрать «Узловые результаты».

Импорт результатов расчета из midas FEA NX
Рисунок 4.1. Импорт результатов расчета из midas FEA NX

После импорта получены следующие результаты:

Рисунок 4.2. Импорт результатов расчета из midas FEA NX
Рисунок 4.2. Импорт результатов расчета из midas FEA NX

Далее следует создать сочетания нагрузок: огибающие сочетания для осадок, а после добавить его в сочетание с постоянными нагрузками для последующей оценки данного влияния.

Огибающее сочетание нагрузок от осадок опор
Рисунок 4.3. Огибающее сочетание нагрузок от осадок опор

Расчетное сочетание постоянных нагрузок с учетом осадок
Рисунок 4.4. Расчетное сочетание постоянных нагрузок с учетом осадок

Анализ результатов расчета

Сравним результаты расчета на действие постоянных нагрузок с учетом и без учета осадок опор. Сравнивать будем продольные усилия и изгибающий момент в главных балках пролетного строения.

Как можно увидеть, максимальное растягивающее продольное усилие в главных балках пролетного строения возросло, как и максимальный положительный момент в середине пролетов.

Эпюра продольных сил в главных балках пролетного строения от действия постоянных нагрузок без учета осадок опор
Рисунок 4.5. Эпюра продольных сил в главных балках пролетного строения от действия постоянных нагрузок без учета осадок опор

Огибающая эпюра продольных сил в главных балках пролетного строения от действия постоянных нагрузок с учетом осадок опор
Рисунок 4.6. Огибающая эпюра продольных сил в главных балках пролетного строения от действия постоянных нагрузок с учетом осадок опор

Эпюра изгибающих моментов в главных балках пролетного строения от действия постоянных нагрузок без учета осадок опор
Рисунок 4.7. Эпюра изгибающих моментов в главных балках пролетного строения от действия постоянных нагрузок без учета осадок опор

Огибающая эпюра изгибающих моментов в главных балках пролетного строения от действия постоянных нагрузок с учетом осадок опор
Рисунок 4.8. Огибающая эпюра изгибающих моментов в главных балках пролетного строения от действия постоянных нагрузок с учетом осадок опор

Выводы

При выполнении моделирования грунта основания в midas FEA NX у пользователя появляется возможность заметно увеличить точность своего прогноза. В программе реализованы различные математические модели грунта, с помощью которых можно с высокой точностью описывать поведение массива. Применение такого подхода возможно как при статических нагружениях, так и при динамических, например, для расчета задачи движения поезда по мосту.

Перемещение подвижного состава
Рисунок 5.1. Перемещение подвижного состава

При совмещенном расчёте системы «грунт-сооружение» у пользователя есть возможность учитывать все факторы, влияющие на результат, это может быть уровень воды (постоянный или изменяющийся во времени), любые типы воздействий, детальное описание рельефа (расчёт устойчивости в случае необходимости). Таким образом, при применении программных комплексов с возможностью детального геотехнического анализа, таких как midas FEA NX, помимо точности результата у пользователя появляется возможность рассматривать более широкий спектр задач.

Также важно отметить, что инженер при расчете статически неопределимых систем не имеет права не учитывать неравномерную осадку опор. Даже в простой демонстрационной задаче, приведенной в данной статье, влияние неравномерных осадок опор довольно значительно. В более сложных реальных проектах данное влияние может привести и к значительному изменению конструктива.

Мы, команда Технической поддержки MIDAS, настоятельно рекомендуем нашим пользователям подходить к расчетам сооружений, используя полный функционал, который предоставляют наши программные комплексы. Простые алгоритмы и действия, которые не занимают у инженеров много времени, понятные и наглядные результаты расчета позволяют повысить как точность расчета, так надежность будущего реального сооружения.

midas Civil

Скачайте демо-версию midas Civil

Начните пользоваться уже сегодня! После скачивания демо-версии
вам будут доступны обучающие материалы по началу работы.