Продукция компании SCAD Soft для решения задач проектирования горных предприятий

А.А. Маляренко, Генеральный директор ООО НПФ «СКАД СОФТ»

Группа компаний «СКАД СОФТ» (SCAD Soft) занимается разработкой и распространением интегрированной системы SCAD Office, предназначенной для прочностного анализа и проектирования конструкций. Основу компании составляют квалифицированные специалисты, имеющие большой опыт расчетов, практического проектирования и экспертизы строительных объектов различной степени сложности, а также разработки систем автоматизированного проектирования. Мы готовы выполнять заказы для горняков, проектирующих разработку месторождений твердых полезных ископаемых.

Комплекс Structure CAD (SCAD)

Ядро системы SCAD Office составляет проектно-вычислительный комплекс Structure CAD (SCAD), который базируется на методе конечных элементов и предназначен для расчета напряженно-деформированного состояния, анализа устойчивости, а также решения задач расчета и проектирования зданий и сооружений сложной структуры, машиностроительных и других конструкций.

Высокопроизводительный процессор комплекса SCAD позволяет решать задачи большой размерности (сотни тысяч степеней свободы при статических и динамических воздействиях, в том числе с учетом сейсмических и ветровых воздействий), анализа устойчивости, оценки поведения конструкций в процессе монтажа и др. SCAD снабжен модулями анализа прочности и подбора сечений элементов стальных конструкций, а также арматуры в элементах железобетонных конструкций.

Комплекс SCAD включает развитую библиотеку конечных элементов для моделирования стержневых, пластинчатых, твердотельных и комбинированных конструкций, модули анализа устойчивости, формирования расчетных сочетаний усилий, проверки напряженного состояния элементов конструкций по различным теориям прочности, определения усилий взаимодействия фрагмента с остальной конструкцией, вычисления усилий и перемещений от комбинаций загружений. В состав комплекса включены программы подбора арматуры в элементах железобетонных конструкций и проверки сечений элементов металлоконструкций. В комплексе предусмотрена возможность импорта данных из наиболее распространенных программ архитектурного проектирования, систем проектирования стальных конструкций и графических редакторов (рис. 1).

Графические средства формирования расчетных схем включают набор параметрических прототипов конструкций, позволяют автоматически сгенерировать сетку конечных элементов на плоскости, задать описания физико-механических свойств материалов, условий опирания и примыкания, а также нагрузок. Предусмотрена возможность сборки расчетных моделей из различных схем, а также широкий выбор средств графического контроля всех характеристик схемы. Реализован импорт геометрии расчетных схем из систем ALLPLAN, ArchiCAD, HyperSteel, RealSteel, StruCAD, AutoCAD, 3D Studio, Revit Structure и др.

Результаты расчета могут экспортироваться в редактор MS Word или электронные таблицы MS Excel, а также выводятся в виде деформированной схемы и схемы прогибов, цветовой и цифровой индикации значений перемещений в узлах, а также изополей и изолиний перемещений для пластинчатых и объемных элементов.

Кроме вычислительного комплекса SCAD в состав системы SCAD Office входит ряд программ-сателлитов, предназначенных для решения разнообразных задач проектирования, включая расчетно-аналитические программы, реализующие проверки элементов строительных конструкций в соответствии с рекомендациями нормативных документов разных стран. Комплекс на протяжении многих лет эксплуатируется более чем в 1500 проектных и исследовательских организациях и использовался при проектировании ряда высотных зданий, построенных и строящихся в различных городах России, Украины, Белоруссии, Казахстана и др. Программы сертифицированы Центром программных средств в системе Госстандарта России и Атомэнергонадзором России. SCAD Office регулярно проходит сертификацию на соответствие динамично изменяющимся строительным нормам и правилам Российской Федерации.

Применительно к горнодобывающей отрасли промышленности из всего спектра проектно-аналитических, проектно-конструкторских и вспомогательных программ системы SCAD, прежде всего предназначена программа ОТКОС, с помощью которой можно решать задачи определения коэффициента запаса устойчивости откосов бортов карьеров и склонов рельефа местности, застраиваемой инфраструктурой карьеров в ходе освоения месторождений твердых полезных ископаемых.

Прогамма ОТКОС

Расчет устойчивости откосов (склонов) – одна из важнейших инженерно-геологических задач. Для ее решения разработаны многочисленные методы в рамках теории предельного равновесия. Эти методы, как правило, исходят из нижеизложенных предпосылок. В качестве механизма потери устойчивости принимается механизм скольжения оползающего массива относительно неподвижной части откоса. Граница раздела называется поверхностью скольжения.

Сопротивление сдвигу по поверхности скольжения рассчитывается для статических условий. Вдоль всей поверхности выдерживается критерий разрушения грунта, принимаемый в виде закона Кулона.

Рис. 2 Диалоговое окно прогаммы ОТКОС

Реальное сдвигающее напряжение, получаемое расчетом, сопоставляется с предельным сопротивлением сдвигу, и результат этого сравнения выражается в виде коэффициента запаса устойчивости K. Для выбранной поверхности скольжения коэффициент K представляет собой такое число, что если прочностные характеристики (угол внутреннего трения и удельное сцепление) вдоль всей поверхности уменьшены в K раз, то отделяемый массив в целом окажется в состоянии предельного равновесия. Коэффициент запаса устойчивости склона (откоса) – это минимальный из коэффициентов запаса устойчивости по всем возможным поверхностям скольжения, удовлетворяющим заданным ограничениям (ограничения обычно заложены в методе расчета).

Реальная поверхность скольжения трехмерна. Но в подавляющем большинстве методов расчета, в том числе и в программе ОТКОС, принята предпосылка о плоской деформации, когда поверхность скольжения – цилиндрическая с образующими, параллельными поверхности склона, а задача сводится к поиску критической направляющей, называемой линией скольжения. Такой подход основан на гипотезе, что неучет пространственности мало влияет на величину коэффициента запаса устойчивости и идет в запас прочности. Используются различные, как правило, весьма ограниченные классы возможных пробных линий скольжения (дуги окружностей или логарифмических спиралей). Однако очевидно, что для существенно неоднородных откосов и сложной гидрогеологической обстановки, которые рассматриваются в настоящей разработке, ограничения на выбор поверхности скольжения должны быть минимальными. В основе алгоритма расчета, реализованного в программе ОТКОС, лежит методика, предложенная в работах [1, 2] и основанная на методе переменной степени мобилизации сопротивления сдвигу (МПСМ).

Реализованные в программе принципы управления, подготовки данных и документирования результатов расчета полностью совпадают с аналогичными режимами проектно-аналитических программ, входящих в состав системы SCAD Office. Программы используют известную технику работы с многостраничными окнами (рис. 2). Активизация страницы происходит при нажатии на ее закладку, кроме того, используется меню.

Исходные данные готовятся на четырех страницах – Общие параметры, Грунты, Скважины и Нагрузка. Контроль исходных данных по геологическому разрезу склона, а также графическое отображение результатов расчета (поверхности скольжения) выполняется на странице Разрез.

Настройка программы и вызов сервисных операций может быть выполнено через меню. Меню включает четыре раздела: Файл, Настройки, Сервис, Справка.

Расчет устойчивости склона и поиск наиболее вероятной поверхности скольжения осуществляется при заданных интервалах его начала и конца. На странице Общие параметры задаются размеры оползневого участка склона. В общем случае это четыре числа: r1, r2, определяющие интервал изменения допускаемых значений абсцисс начала оползня, и аналогичные данные для конца оползня – r3, r4. Поскольку склон может быть направлен как слева направо, так и наоборот, то понятия «начало оползня» и «конец оползня» условные и могут поменяться местами при направлении склона справа налево.

Рис. 3 Диалоговое окно прогаммы ОТКОС страница Нагрузки

Независимо от направления склона должны соблюдаться следующие правила задания значений r:

r4 > r1, r2 > r1, r4 > r3.

Направление склона определяется характеристиками скважин (задаются на странице Скважины).

Кроме размеров оползневого участка на странице Общие данные задаются параметры расчета, которые включают следующие данные:

Допускаемая погрешность по х – точность определения отметок поверхности скольжения;

Наличие закола – маркер, указывающий на наличие закола у границы начала оползня. Если этот маркер активен, то следует активизировать маркер, указывающий, где находится граница начала оползня (Закол слева – склон слева направо, Закол справа – склон справа налево). Глубина закола задается в поле ввода Величина закола.

Отметим, что закол должен быть расположен в начале оползня (в более высокой точке линии скольжения). Программа не контролирует правильность задания положения закола (альтернатива Закол слева/справа).

Автоматическое определение закола – маркер, указывающий, что при анализе следует учитывать возможность образования (или развития, при взведенном маркере Наличие закола) вертикальной трещины в верхней части линии скольжения.

На странице Грунты задаются характеристики грунтов.

Порядок задания грунтов не имеет значения. Для решения задачи необходимы следующие данные о грунтах (указаны принятые по умолчанию единицы измерения):

- угол внутреннего трения (град.);

- удельное сцепление (т/м2);

- удельный вес сухого грунта (т/м3);

- удельный вес грунта в водонасыщенном состоянии (т/м3).

Кроме того, для водоупорных грунтов в графе Тип из списка выбирается соответствующий признак. Каждому виду грунта может быть назначен цвет, что облегчает контроль структуры грунтового массива на странице Разрез.

Количество горизонтов грунтовых вод (от 0 до 3) назначается путем выбора соответствующего числа из одноименного списка. Уровень каждого горизонта задается на странице Скважины. Геологический разрез исследуемого склона задается путем описания скважин на странице Скважины.

Рис. 4 Диалоговое окно прогаммы ОТКОС страница Разрез
с отображением поверхности скольжения

Именно отметки верхней границы первых слоев грунта определяют направление склона и его уклон. Отметки могут быть заданы в любой системе координат, единой для всех скважин.

На странице Нагрузки (рис. 3) задаются нагрузки (напоры), действующие на определенный участок склона. Нагрузки аппроксимируются кусочно-линейными функциями координаты х, и для удобства описания привязываются к скважинам. Рассматриваются распределенные нагрузки, направленные вертикально и/или по касательной к склону в верхней точке указанных скважин. По умолчанию значения нагрузки слева и справа от каждой скважины равны нулю. Таким образом, если необходимо задать некоторую распределенную нагрузку, действующую на участке склона между двумя соседними скважинами, следует указать, от какой скважины она начинается и на какой скважине заканчивается. Контроль заданных нагрузок выполняется в окне Диаграмма нагрузок, которое вызывается нажатием кнопки.

При расчете коэффициента запаса устойчивости с учетом сейсмического воздействия необходимо выбрать из списка значение сейсмичности площадки в баллах, а также задать ускорение в грунте при сейсмическом воздействии (если его значение отличается от стандартного) и угол приложения сейсмической нагрузки. Если необходимо повторить расчет без учета сейсмики достаточно задать равными нулю (обнулить) один из параметров, например, ускорение в грунте. Учет сейсмической нагрузки производится в предположении, что весь грунтовой массив движется синхронно с ускорением, которое задано пользователем, а направление вектора ускорения соответствует заданному углу приложения сейсмической нагрузки. При этом возникают объемные инерционные силы равные произведению удельного веса на ускорение, которые учитываются в расчете.

Вычисление коэффициента запаса устойчивости выполняется после нажатия кнопки Вычислить. Расчет включает два шага – уточнение начального приближения а также вычисление коэффициента запаса и построение поверхности скольжения. Поверхность скольжения выводится на разрезе склона на странице Разрез (рис. 4). По результатам расчета может быть сформирован отчет.

Программы+справочники КоКон и КУСТ

К отдельному направлению компании SCAD Soft можно отнести в входящие систему SCAD Office так называемые электронные программы-справочники КоКон и КУСТ.

Рис. 5 Диалоговое окно прогаммы КоКон

В программе КоКон (рис. 5) рассмотрены достаточно много конструктивных элементов с особенностями под действием (как правило) одной нагрузки. На практике конструктивные элементы находятся под действием комбинированных нагрузок. Чтобы оценить максимальные напряжения в этом случае достаточно, используя коэффициенты концентрации напряжений для одиночных нагрузок и номинальные напряжения, определить максимальные напряжения и использовать принцип суперпозиции (это возможно, поскольку мы предполагаем линейную работу материала конструкции и, кроме того, максимальные напряжения возникают, как правило, в одних и тех же точках при различных видах нагружения). Кроме того, в программе КоКон реализованы режимы расчета коэффициентов интенсивности напряжений в вершине трещины

Рис. 6 Диалоговое окно прогаммы КУСТ

Программа-справочник КУСТ (рис. 6) предназначена для решения определенного класса задач механики, для которых в литературе приведены аналитические или достаточно точные приближенные решения. Несмотря на то, что большинство этих задач могут быть решены с помощью программы SCAD, использование программы КУСТ позволяет получить решение без построения расчетных схем. Кроме того, часть результатов может быть использована для задания данных при построении конечно-элементных моделей (например, коэффициенты расчетной длины, оценки собственных частот и т.п.).

Обучение

Группа компаний «СКАД СОФТ» проводит обучение своим программным продуктам. Занятия проводят опытные преподаватели – сотрудники компании, разработчики комплекса SCAD. Каждый слушатель обеспечивается рабочим местом, оборудованным современным ноутбуком с необходимым лицензионным ПО. Слушатели получают материалы для учеников в электронном виде (статьи, публикации и примеры) и комплект литературы по теории и практике расчетов. Кроме учебных моделей рассматриваются реальные проекты. Обучение идет по разработанным программам, но это не исключает рассмотрение дополнительных вопросов, интересующих слушателей. Возможно как базовое, так и углубленное обучение в соответствии с уровнем подготовки слушателей.

ЛИТЕРАТУРА:

1. В.Г. Федоровский, С.В. Курилло. Метод расчета устойчивости откосов и склонов // Геоэкология, 1997, №6. & С. 95–106.

2. В.Г. Федоровский, С.В. Курилло. Метод переменной степени мобилизации сопротив& ления грунту для расчета прочности грунтовых массивов, Основания, фундаменты и механика грунтов, 1998, № 4–5, 18–22. Группа компаний «СКАД СОФТ» www.scadsoft.com

Журнал "Горная Промышленность"