Проектирование

  

Конструирование

  

Расчет 50 лет опыта

Богучанская ГЭС

Водосброс №2. Расчеты НДС, прочности и устойчивости секции №21 при пропуске паводка. Расчет водобойного колодца.

Описание

Богучанская гидроэлектростанция — гидроэлектростанция на реке Ангара, у города Кодинска Кежемского района Красноярского края. Входит в Ангарский каскад ГЭС, являясь его четвёртой, нижней ступенью.

Особенности

Моделирование основания плотины с помощью специальных КЭ – односторонних элементов трения.

Описание расчетной схемы

Водосливная секция №21 шириной 30 м с двумя водосливными пролетами шириной в свету по 10 м расположена в русловой части бетонной гравитационной плотины на скальном основании и является центральной секцией водосброса №2 (секции №№ 20–22 общей протяженностью 90 м). Слева по течению к секции №21 примыкает крайняя левая секция водосброса №2 – секция №20, несимметричная относительно своей продольной оси с одним водосливным пролетом шириной в свету 10 м и глухим участком.

Справа по течению примыкает крайняя правая секция водосброса №2 – секция №22, имеющая вместе с секцией №21 типовое конструктивное решений (за исключением разделительной стенки на секции №22 - правобережного устоя водосброса №2). Слева к водосбросу №2 примыкают станционные секции №№11–19 общей протяженностью 270 м, справа – глухая секция №23 шириной 22 м и далее секции №№24–28 водосброса №1 общей протяженностью 110 м. В секции №21 запроектированы три бычка: крайние левобережный и правобережный толщиной по 3,0 м (в местах пазов затворов глубиной 0,9 м толщина бычка уменьшается до 2,1 м); и центральный бычок толщиной 4,0 м (в местах пазов затворов 2,2 м).

Со стороны нижнего бьефа бычки выполняют функцию опор мостового перехода. Ниже отм. 196,00 бычки имеют выступ в нижней бьеф за габарит моста, запроектированный из гидравлических соображений (для аэрации потока и т.п.). Пространственная конечно-элементная модель системы «секция №21 – скальное основание» представлена Рис. 1.1–1.3 (на стадиях эксплуатации и пускового комплекса). Разработанная конечно-элементная модель предусматривает возможность учета возведения секции и наполнения водохранилища в два этапа:

• для первой очереди наполнения водохранилища при временной отметке порога водослива 179,00 м;
• до проектной отметки наполнения водохранилища при отметке порога водослива 199,00 м с бетонированием ранее возведенного бычка в массивный бетон оголовка водослива.

Бизнес центр "101 Tower"

Модель содержит 679107 узлов и 935707 элементов. Диафрагмы, плита ростверка и плиты перекрытия моделируются треугольными и четырехугольными конечными элементами оболочки. Балки и колонны моделируются стержневыми конечными элементами. Сваи моделируются объемными конечными элементами.

Описание

На рисунке ниже приведен фрагмент сваи в грунтовом массиве.

Грунтовой массив моделируется объемными конечными элементами с присвоением жесткостных характеристик в соответствии с инженерно-геологическими характеристиками слоев и увеличением модуля деформации по глубине залегания.

Расчет выполнен в две стадии:

1 стадия – напряженное состояние элементов грунтового массива от действия собственного веса грунта, принятого в соответствии с данными результатов инженерно-геологических изысканий;

2 стадия – выемка грунта из подвальной части и монтаж всей конструкции с получением напряженно-деформированного состояния (НДС) сооружения от приложенных всех постоянных, длительных и кратковременных нагрузок.

Железнодорожный мост через реку Каракум

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ МОСТ НА ПЕРЕХОД СОЕДИНИТЕЛЬНОГО КАНАЛА СК-3 ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ЛИНИИ «АТАМУРАТ-ИМАМНАЗАР», ПРОТЯЖЕННОСТЬЮ 256 МЕТРОВ, И ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ МОСТ ЧЕРЕЗ РЕКУ КАРАКУМ, ПРОТЯЖЕННОСТЬЮ 363 М

Задействованные инструменты

ПК ЛИРА-САПР – ВИЗОР-САПР; КС-САПР (для создания жесткостей нестандартных сечений); модуль динамики (39) СНТ 2.01.08-99; через ответ-спектр (41) реализованы требования раздела 3, СНТ 2.01.08 – 2001; расчет РСН; расчет нагрузок на фрагмент; адаптация режима конструирования стальных конструкций (СНиП II-23-81*) к требованиям СНиП 2.05.03-84

Конструктивное решение

Пролет железнодорожного моста 110 м, с ездой понизу со сварными элементами замкнутого сечения и монтажными соединениями на высокопрочных болтах. Главные фермы пролетного строения приняты высотой 15 м. Расстояние между осями главных ферм поперек моста 5,8 м. В состав главных ферм входят верхние и нижние пояса, а так же раскосы коробчатого сечения с перфорацией одной стенки, стойки и подвески – двутаврового сечения. Номинальная длина панели 11 м. Верхние продольные связи – крестовой системы с панелью 5,5 м, элементы нижних связей – таврового сечения обеспечивают включение проезжей части в совместную работу с главными фермами. Портальные и поперечные связи расположены в плоскости портальных раскосов и стоек. Проезжая часть включает продольные и поперечные балки двутаврового сечения.

Описание расчетной схемы

В основу расчета положен метод конечных элементов с использованием в качестве основных неизвестных перемещений и поворотов узлов расчетной схемы. В связи с этим идеализация конструкции выполнена в форме, приспособленной к использованию этого метода, а именно система представлена в виде набора стержневых элементов отвечающих конструктивному решению пролетного строения моста. Выбранный тип конечного элемента определяется его геометрической формой, правилами, определяющими зависимость между перемещениями узлов конечного элемента и узлов системы, физическим законом, определяющим зависимость между внутренними усилиями и внутренними перемещениями, и набором параметров (жесткостей), входящих в описание этого закона и др.

Расчетная схема определена как система с общим признаком, деформации которой и ее основные неизвестные представлены линейными перемещениями узлов вдоль осей X, Y, Z и поворотами вокруг этих осей.

Производился расчет пространственной фермы, с учетом совместной работы с опорными частями. Расчетная модель содержит 2 622 узлов и 2 717 элементов. Выбор шага конечных элементов обусловлен особенностью конструктивного решения главных ферм, а именно шагом перфорации.

Описание напряженного состояния стержневых элементов связано с местной системой координат, у которой ось X1 ориентирована вдоль стержня, а оси Y1 и Z1 – вдоль главных осей инерции поперечного сечения. Некоторые стержни присоединены к узлам через абсолютно жесткие вставки, с помощью которых учитывается эксцентриситеты узловых примыканий. Все узлы главных ферм представлены пространственным жестким телом.

Выбор шарнирного примыкания стрежневых элементов (связей) из одиночных профилей, обусловлено конструкцией узлов.

Граничные условия пролетного строения обусловлены конструкцией используемых опорных частей. Сопротивление от трения в подвижных опорных частях смоделировано путем ввода жесткости шарнира по соответствующему направлению.

В расчетной модели пролетного строения продольные и поперечные балки проезжей части не имеют разрывов, следовательно, на основании п.4.71 СНиП 2.05.03-84 расчет производился в упругой стадии с учетом дополнительных усилий от их совместной работы с поясами главных ферм. Усилия в элементах проезжей части от совместной работы с главными фермами определены в предположении, что в горизонтальной плоскости продольные балки примыкают к поперечным шарнирно.

Перфорация в элементах главных ферм и поперечных связей смоделирована путем ввода соответствующих участков по длине стержня с ослабленным сечением. Центровка участков с перфорацией выполнена с помощью жестких вставок для стержней по соответствующему направлению местных осей.

Необходимый набор нагрузок используемый в расчетной модели приведен в отвечает требованиям СНиП 2.05.03-84. Количество загружений в расчетной модели - 103. Количество рассмотренных комбинаций нагрузок – 136.

Временная нагрузка С-14 смоделирована набором загружений пролетного строения участком от 1 до 110 метров. Каждому из загружений С-14 сопутствует соответствующая тормозная нагрузка на рассматриваемом участке.

Нагрузки, которые в соответствии с нормативом должны быть приложены в уровне проезжей части (головки рельса), приложены с учетом эксцентриситета передачи ее на идеализированную модель.

Защитная оболочка атомного реактора ВР1000

Рассчитываемая оболочка состоит из цилиндрической части диаметром 46м и сферической части с высотой подъема 10м. Конструкция оболочки многослойная представляет собой железобетонную стену обшитую с обеих сторон металлическим листом, внутри которой в специальных каналах расположены высокопрочные канаты. Толщина оболочки меняется в пределах 900-1300мм. Канаты преднапрягаются, на расчетное усилие 1000т обжимая оболочку, с целью недопущения трещин в бетоне при аварийных ситуациях. Натяжение осуществляется домкратами, расположенными на контурном кольце в месте соединения цилиндрической и сферической частей.

Описание

Неординарность данного расчета заключалась в том, что каждому из канатов задавалось свое (реальное) значение преднапряжения, полученное от специальной компьютерной системы, следящей за состоянием защитной оболочки. Во время эксплуатации расчетные значения преднапряжения меняются, а также возможен обрыв некоторых из них. Это радикально меняет расчетную модель, которая при одинаковом натяжении канатов могла рассчитываться как осесимметричная (т.е. задача плоской деформации).

Цель расчета

Определить напряженно–деформированное состояние оболочки при существующем натяжении канатов, а также определить обеспечивает ли эта ситуация герметичность оболочки при форс-мажоре.

Расчетная модель оболочки включала: плоские К.Э. оболочки (цилиндрическая и сферическая части); объемные К.Э. (контурного кольца, соединяющего цилиндрическую и сферическую части); стержневые К.Э. (преднапряженные канаты и специальные К.Э., моделирующие проскальзывание канатов в каналах с потерей натяжения при трении). Натяжные устройства моделировались конечными элементами типа «форкопф», расположенными в узлах контурного кольца.

Жилой комплекс "Alter Ego"

Конструктивная схема здания представляет собой монолитный каркас, состоящий из стен, колонн, плит и балок. Фундамент - монолитная плита на свайном основании, сваи буронабивные. Здание представляет из себя две 25-ти этажные секции, которые опираются на стилобатную 2-х этажную часть. К расчетной схеме были приложены как статические, так и динамические нагрузки, которые соответствуют местным нормативам.

Описание расчетной схемы

Расчетная схема представляет собой пространственную оболочно-стержневую конечно-элементную модель. Создание и анализ напряженного деформированного состояния расчетной схемы выполнялись в ПК МОНОМАХ-САПР. Построение пространственного каркаса здания выполнялось в программе Компоновка. Элементы каркаса были законструированы в программах Плита, Стена, Колонна, Балка.

В соответствии с проектным заданием было построено две расчетные схемы, отличие которых состояло в конструктивной особенности плит перекрытий:

• первый вариант каркаса с использованием плит толщиной 0.28м с пустотозаполнителями и классом бетона В35;
• второй вариант - сплошные монолитные плиты 0.22 м и классом бетона В35.

Особенности

При моделировании схемы были реализованы два основных требования заказчика:

Первое - выполнить расчет фундаментной плиты на прочность и законструировать ее без организации деформационных швов. Данное пожелание было обосновано технологическими сложностями создания фундаментной плиты. Расчет выполнялся с применением "инженерной нелинейности", которая дала возможность учесть нелинейную работу бетона и арматуры.

Второе - выполнить расчет здания с применением пустотообразователей в плитах перекрытия и расчет здания со сплошными плитами перекрытий, и выдать заключения по эффективности применения каждого варианта.

Вычисление жесткости плиты с пустотообразователями выполнялось для характерных ее участков. При этом учитывалось взаимное влияние вертикальных и горизонтальных элементов каркаса. В процессе построения моделей плит перекрытий использовались как объемные, пластинчатые так и стержневые конечные элементы (КЭ 32,).

Для определения наиболее адекватной расчетной модели плиты перекрытия с пустотообразователями было создано несколько расчетных схем:

• с применением пластинчатых элементов (КЭ 42, 44);
• с применением объемных элементов (КЭ 34, 36);
• с применением объемных элементов (КЭ 32, 34, 36);
• с применением стержневых элементов (с вычислением жесткости в программе КС-САПР);
• с применением стержневых и пластинчатых элементов (с вычислением жесткости в программе КС-САПР).

Фундаментная плита под ветряные электрогенераторы

Расчет фундаментной плиты под ветряные электрогенераторы ВЭУ Юнисон U88 на вертикальные, горизонтальные и сейсмические нагрузки с учетом податливости грунтового основания.

Описание

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) UNISON U88/U93 представляет собой трехлопастной ротор с номинальной мощностью 2 180 кВт, номинальное напряжение 600 В и номинальный ток 2 228 А. ВЭУ рассчитана выдерживать экстремальные условия окружающей среды. Прочная конструкция ВЭУ UNISON U88/U93 обеспечивает высокие уровни безопасности, надежность и повышенный срок эксплуатации.

Основными деталями ВЭУ UNISON U88/U93 являются фундамент, башня, гондола, ротор и лопасти. Все эти детали были разработаны в соответствии с промышленными стандартами, обеспечивающими эксплуатационную безопасность.

Фундамент - железобетонная плита в плане восьмиугольник диаметром 18 м, толщиной 2.5м. Бетон класса В30 (С25/30), марки А 100 по морозостойкости и марки W 2 по водопроницаемости, арматура класса А240С и А500С. Под фундаментом выполняется армированная бетонная подготовка из бетона С 12/15 (В15) толщиной 150мм. Стыковка башни к фундаменту осуществляется при помощи двойных фланцев и анкерных болтов.

Башня - представляет собой трубчатую стальную башню высота которой до оси ротора составляет 80 м. Диаметр верхней части 3.0 м, а нижней части 4.2 м . Вес всей башни составляет - 183 т

Лопасти - изготавливаются из стеклопластика и эпоксидной смолы. Общая длинна лопасти составляет 45м. Вес одной лопасти составляет 9 т.

Гондола имеет вес 88 т, ротор 42 т.

Суммарный вес надземной части башни ВЭУ Юнисон составляет более 300 т.

Описание расчетной схемы

Построение расчетной модели выполнялось в программном комплексе ЛИРА-САПР. Пространственная идеализированная расчетная модель состоит из стержневых и пластинчатых конечных элементов.

Фундаментная плита моделируется пластинчатыми конечными элементами КЭ 44, жесткость которых соответствует железобетону толщиной 2.5м, с шагом триангуляции 0.5м.

При моделировании тела башни использовался КЭ 10. Расчетная схема представляла из себя консоль, при этом учитывалась переменная жесткость башни по высоте, перераспределение масс по высоте, включая и сосредоточенную массу от ротора и гондолы на верху башни.

В процессе расчета учитывались следующие нагрузки:

• вес ВЭУ (вес башни, гондолы, лопастей);
• предельная нагрузка от ветра и эквивалентная усталостная нагрузка для ВЭУ;
• собственный вес фундаментной плиты;
• пригруз грунта на фундамент;
• сейсмическое воздействие.

Особенности

Был выполнен расчет для целого ряда вариантов фундаментов с изменением:

• конфигурации (круглые, прямоугольные, восьмиугольные);
• толщины плиты (2-2.5м);
• заглубления фундаментной плиты относительно поверхности земли с учетом пригруза и без него (до 3м).

Расчет сооружения выполнялся с учетом совместной работы грунтового основания.

В соответствии с геологическими изысканиями была определена жесткость грунтового массива под подошвой фундамента. Данные значения были применены в виде коэффициентов постели С1 и С2. В расчетной схеме также использовались законтурные конечные элементы (КЭ 53) которые позволили учесть упругое основание грунта за пределами фундаментной плиты.

Для более правдоподобной работы сопряжения фундамента и тела ветряка было принято решение моделировать данный узел с использованием абсолютно жестких тел.

По пожеланию заказчика было выполнено конструирование плиты в двух вариантах: с расположением рабочих стержней в ортогональном направлении и с расположением рабочих стержней в радиальном направлении. Окончательный вариант армирования имел комбинированный вид:

• основная и дополнительная арматура у верхней и нижней граней плиты ∅ 25 с шагом 200мм. Расположение стержней ортогональное.
• дополнительная арматура у верхней грани плиты ∅ 36 с шагом 200мм. Расположение стержней радиальное.

Использование ПК ЛИРА-САПР дало возможность решить ряд следующих задач:

• вычислить оптимальную толщину фундаментной плиты, которая зависит от своей геометрии в плане, веса надземной части конструкции, ветрового и сейсмического воздействий и принятого варианта армирования;
• определить усилия, возникающие от сейсмического воздействия, расчет которого был выполнен на основе спектрального анализа;
• выполнить расчет сооружения с учетом совместной работы каркаса и грунтового основания;
• определить деформации фундамента и крен башни;
• выполнить расчет конструкции на прочность и законструировать фундаментную плиту с учетом региональных нормативных документов.