Пример: проектирование небоскреба с использованием структурного программного обеспечения Risa

Понимание сложности структурного дизайна небоскреба

Проектирование небоскреба является одной из самых сложных задач в структурной инженерии. Каждая высотка должна безопасно противостоять гравитационным нагрузкам, боковым силам ветра и землетрясений и динамическим колебаниям, оставаясь экономически целесообразной. Инженерная команда должна координировать десятки дисциплин, от архитектуры до механических систем, и только структурная система может включать тысячи взаимосвязанных стальных балок, бетонных колонн, плит с натяжением и глубоких фундаментов. RISA Structural Software возникла как надежная платформа для моделирования, анализа и проектирования этих сложных структур, что позволяет инженерам быстро и уверенно повторять.

В этом тематическом исследовании рассматривается реальное применение набора инструментов RISA’ для проектирования современного небоскреба. Мы рассмотрим каждую фазу рабочего процесса, от первоначального концептуального моделирования до окончательного дизайна, соответствующего коду, подчеркивая, как функции RISA упрощают процесс и повышают точность.

Обзор пакета RISA Structural Software Suite

RISA Technologies предлагает семейство программ, адаптированных к различным этапам структурного обрамления. RISA-3D, является универсальным инструментом анализа конечных элементов и проектирования, способным обрабатывать 3D-модели с различными типами элементов, включая балки, колонны, кабели и пластины. Для бетонных зданий RISAFloor обеспечивает среду моделирования на макроуровне для гравитационных систем, в то время как RISAFoundation обрабатывает коврик, спред и свайную крышку. Дополнительные модули, такие как RISASection позволяют инженерам определять произвольные сечения, и RISAConnectionRISAConnection автоматизирует сварное и болтовое соединение. Программное обеспечение легко интегрируется с платформами CAD и

Для небоскребов типичный рабочий процесс начинается в RISA-3D или RISAFloor, в зависимости от структурной типологии. Инженеры определяют сетку здания, присваивают свойства материала и применяют нагрузки. После анализа они рассматривают отклонения, соотношения напряжений и проверки стабильности, прежде чем повторять размеры и усиление элементов.

Узнайте больше о полной линейке продуктов на странице программного продукта RISA .

Шаг 1: Первоначальное моделирование и определение геометрии

Дизайн небоскреба всегда начинается с геометрии. Для кейс-исследования небоскреб – 60-этажная башня смешанного использования с прямоугольным следом и сужающимся профилем – архитектурная модель обеспечивала базовую сетку и уровни пола. Используя RISA-3D, инженер-конструктор импортировал архитектурную компоновку через файлы DXF и вручную доработал колоночную сетку до 9-метрового 9-метрового модуля. Среда моделирования программного обеспечения позволяет как графический, так и ввод таблицы, давая инженеру полный контроль над координатами узлов, ориентацией элементов и диафрагмами пола.

Одним из ключевых преимуществ RISA является его способность обрабатывать сложную геометрию, такую как неудачи, перемещение полов и изогнутые фасады.Для конусообразного профиля инженер определил уменьшенный отпечаток верхнего этажа путем регулировки смещений колонн и использования наклонных балок. Модель включала 120 этажей колонн, 60 этажных плит, бетонное ядро в центре здания и перегребные фермы на механических уровнях.

Свойства материала были назначены на основе спецификаций проекта: Сорт 50 стали для балок и колонн в нижней зоне, Сорт 65 стали для высокопрочных колонн и нормального веса бетона с прочностью на сжатие 48 МПа для полов и ядра. База данных материалов RISA включает в себя сотни заранее определенных стандартов от AISC, ACI и международных кодов, что позволяет быстро выбирать и настраивать.

Определение структурных элементов с точностью

После того как сетка и компоновка были установлены, инженер определил каждый конструктивный элемент. В RISA-3D балки и колонны рисуются как линейные элементы с назначенными поперечными сечениями. Для небоскреба инженер создал библиотеку пользовательских широкоугольных секций для стальной рамы и прямоугольных полых секций для основных колонн. Программное обеспечение также поддерживает конические секции, которые использовались для аутриггеров ферм для оптимизации использования материала.

Слабы моделировались с использованием RISAFloor в качестве двухсторонних бетонных панелей с постнатяжными сухожилиями. Инженер уточнил толщину плиты (типичная 200 мм, 300 мм на подиумных уровнях), бетонную крышку и расположение сухожилий. RISAFloor автоматически вычисляет эквивалентные нагрузки для постнатяжения и учитывает эффекты ползучести и усадки при долгосрочном анализе отклонения.

Для фундамента RISAFoundation использовалась для проектирования 3-метровой матовой плиты под башней, с сваями, простирающимися на 40 метров в основание. Программное обеспечение рассматривало почвенные пружины (модель Винклера) для имитации взаимодействия почвенной структуры, критически важного фактора для высотных поселений и вращения коврика. Мощности кулака были получены из геотехнических отчетов и входных данных в качестве значений сжатия и повышения жесткости.

Шаг 2: Методы структурного анализа высотных зданий

С завершением модели началась фаза анализа. Небоскребы требуют учета как гравитационных, так и боковых нагрузок. На этаж накладывались гравитационные нагрузки (мертвые и живые) с коэффициентами нагрузки на основе ASCE 7-16. Живые нагрузки снижались по коду нагрузок на хранение и заполняемость. Для бокового анализа предполагалось, что расположение здания находится в умеренной сейсмической зоне с базовыми скоростями ветра 145 км/ч (90 миль/ч) экспозиции С.

RISA-3D выполнила линейный упругий статический анализ для гравитационных нагрузок, за которым последовал спектральный анализ ответа для сейсмических нагрузок. Инженер определил естественный диапазон периода (первые три режима) и применил спектр проектирования конкретного участка. Программное обеспечение вычислило модальные коэффициенты участия, сдвиги базы и коэффициенты дрейфа. Для ветровой нагрузки RISA-3D может генерировать поверхностные нагрузки на основе геометрии здания и направления ветра, но для этого небоскреба данные испытаний аэродинамической трубы были импортированы в качестве случаев нагрузки в истории времени для учета динамических эффектов поперечного ветра и вихревого сбрасывания.

Для захвата геометрической нелинейности (эффекты P-Delta) инженер включил опцию P-Delta-анализа в RISA-3D. Это объясняет дополнительные моменты изгиба, вызванные вертикальными гравитационными нагрузками, действующими на боково смещенную раму. Для 60-этажного здания P-Delta может увеличить дрейфы второго порядка на 15-25%, и игнорирование этого приведет к неконсервативной конструкции. RISA автоматически выполняет итеративный анализ P-Delta в каждой комбинации нагрузки, регулируя жесткость члена до конвергенции.

Кроме того, инженер провел модальный анализ истории отклика с использованием метода прямой интеграции для проверки производительности здания при максимальном считываемом землетрясении (MCE). RISA-3D поддерживает нелинейный анализ истории времени с нелинейностью материала, определяемой с помощью шарниров для стальных балок и волоконных секций для бетонных стен.

Анализ путей нагрузки и распределение стресса

После того, как анализ прошёл, RISA получил подробные результаты, включая силы участников, моменты, силы реакции и перемещения. Инженер рассмотрел диаграммы пути нагрузки , чтобы обеспечить эффективную передачу сил от гравитации и боковых нагрузок к основанию. Конкретное ядро действовало как первичная система бокового сопротивления силе, с перегрузочными фермами, соединяющими ядро с колоннами периметра, чтобы уменьшить дрейф.

Контурная карта RISA Contour Map имеет визуализированные распределения напряжений по полу и стенам сдвига, раскрывая области с высоким сдвига или изгиба, которые требуют дополнительного усиления. Для стального каркаса программное обеспечение выделяло контуры отношения напряжений на каждый элемент, показывая, какие балки и колонны были перенапряжены (отношение > 1,0) или слегка напряжены. Команда разработчиков использовала это для корректировки размеров элементов и оптимизации веса.

Одной из распространенных проблем в небоскребах является контроль межэтажного дрейфа для предотвращения повреждения облицовки и перегородок. Анализ показал, что максимальный дрейф при сейсмической нагрузке составил 0,012 радиана (Н/500), превысив цель Н/600. Для уменьшения дрейфа инженер увеличил жесткость стенок ядра, добавив соединительные балки и утолстив стены в нижних 20 этажах. Параметрические возможности RISA позволили быстро модифицировать модели и повторно анализировать без восстановления с нуля.

Шаг 3: Оптимизация дизайна и соответствие коду

После анализа инженер использовал конструктивные модули RISA для проверки каждого конструктивного элемента на соответствие применимым кодам.Стальная рама была разработана для AISC 360-16 (Освоение для структурных стальных зданий), в то время как бетонное ядро и плиты следовали ACI 318-14 . RISA-3D автоматически выбирает управляющие комбинации нагрузки из ASCE 7 и выполняет проверки прочности для выхода, пристегивания и боковой торсионной нестабильности.

Функция оптимизации дизайна в RISA-3D особенно мощна для небоскребов. Инженер может установить целевые соотношения спроса и мощности (например, 0,90 для гравитационных элементов и 0,80 для боковых элементов) и позволить программному обеспечению автоматически изменять размер стальных секций, чтобы минимизировать вес. Для этого проекта оптимизатор уменьшил общий тоннаж стали на 12% по сравнению с первоначальным дизайном, экономя стоимость материала без ущерба для безопасности.

Соответствие кода бетонным элементам в RISAFloor предполагает проверку гибких арматуры, сдвига и контроля трещин. Инженер задавал максимальную ширину трещины 0,3 мм под служебные нагрузки. RISAFloor вычислял требуемые площади арматуры на полосу и генерировал графики штрихов для плит и стен. Для фундамента мата RISAFoundation проверял сдвигающий сдвига, гибкий арматуры и пределы расселения.

Внешний вид: Американский институт стального строительства (AISC) предоставляет спецификации кода, используемые в конструкции стали.

Итеративное уточнение дизайна и рецензирование

Структурный дизайн небоскреба никогда не является однопроходным процессом. После первоначальной оптимизации команда представила результаты архитектору и геотехническому консультанту. Архитектор запросил изменение компоновки стенки ядра для размещения более крупных шахт лифта. Используя возможности редактирования модели RISA, инженер переместил стены ядра, перемещая узлы и переопределяя граничные условия. Программное обеспечение автоматически обновляло все соединения участников и пути загрузки. Реанализ занял менее 10 минут на стандартной рабочей станции, демонстрируя эффективность инструмента для итеративного проектирования.

Проектирование также прошло независимую экспертную оценку. Рецензент запросил проверку конструкции фундамента с использованием альтернативного метода. Инженер использовал RISAFoundation для проведения анализа конечных элементов коврика с различными профилями жесткости почвы и подтвердил, что максимальное поселение находится в пределах 50 мм (2 дюйма). Функции отчетности RISA генерировали всеобъемлющие таблицы и графики вывода, которые легко включались в отчет о структурном проектировании.

Прохождение кейса: 60-этажный смешанный небоскреб

Для иллюстрации всего рабочего процесса, здесь более подробное прохождение конкретного проекта: вымышленная «Башня меридиан» – 60-этажное здание общей высотой 250 метров.Строительная система сочетает в себе железобетонное ядро с периметром стальной рамой момента и двумя перегрузочными фермами на уровнях 20 и 40.

Шаг 1: Моделирование в RISA-3D

  • Импортная архитектурная сеть от Revit через DXF.
  • Определенные высоты пола: первый этаж на 0 м, типичные этажи на 4 м, механические этажи на 5 м.
  • Назначено бетонное ядро как группа стеновых панелей с определяемой пользователем толщиной: 800 мм при земле до 400 мм сверху.
  • Смоделированные аутриггерные фермы в качестве стальных элементов с пользовательскими секциями коробок.
  • Уплотненные соединения для пучков, чтобы уменьшить передачу момента и упростить детализацию.

Шаг 2: Загрузка приложения

  • Мертвая нагрузка: самовес бетона и стали (автоматически рассчитанный), плюс наложенные мертвые нагрузки 1,5 кПа для перегородок и механические.
  • Живая нагрузка: 2,0 кПа для офисных этажей, 4,5 кПа для механических полов, 1,5 кПа для крыши (с провизией для снега).
  • Сейсмическая нагрузка: спектр отклика от ASCE 7-16 для класса сайта C, Ss = 1,2g, S1 = 0,4g.
  • Ветровая нагрузка: импортируется из анализа CFD в качестве истории давления для трех направлений ветра.

Шаг 3: Анализ и результаты

  • Первый период работы: 5,8 секунды (перевод в X-направлении).
  • Базовый сдвиг от спектра ответа: 12 500 кН (0,08 Вт).
  • Максимальный дрейф крыши под служебным ветром: 600 мм (H/417) и #8211; немного выше цели, поэтому жесткость фермы была увеличена.
  • Критический дрейф: 0,009 радиана под MCE & #8211; приемлемый для показателей безопасности жизнедеятельности.

Шаг 4: Дизайн и оптимизация

  • Сталелитейные балки: оптимизированы с начальных секций W24 до W21 на верхних этажах, что позволяет сэкономить 8% веса стали.
  • Основное усиление: требуется 1,2% стального соотношения в гибких зонах; RISAFloor предложил 11 баров с расстоянием 200 мм.
  • Толщина основания мата увеличилась до 3,5 м после проверки сдвига в местах колонн.

Американское общество инженеров-строителей (ASCE) публикует стандарт минимальных проектных нагрузок, используемый в этом проекте.

Интеграция с BIM и совместными рабочими процессами

Современный дизайн небоскребов редко происходит изолированно. RISA поддерживает интеграцию с платформами информационного моделирования зданий (BIM), такими как Revit, Tekla и AutoCAD. Для Meridian Tower структурная модель была связана с архитектурной моделью с использованием RISA Revit Interface. Изменения в архитектурном плане этажа автоматически обновляли структурную сетку и столбцы. Эта двунаправленная связь уменьшала ошибки и экономила часы ручной переделки. Инженер-строитель также мог экспортировать аналитические модели непосредственно в ETABS или SAP2000 для перекрестной проверки, если этого требовал клиент, хотя собственные возможности анализа RISA были достаточны для большинства проверок дизайна.

Кроме того, интеграция RISA с Microsoft Excel позволила команде разработчиков провести параметрические исследования размеров членов и классов материалов, оценивая сценарии затрат. Открытый API программного обеспечения позволяет создавать пользовательские скрипты для автоматического генерирования моделей и извлечения результатов, которые продвинутые пользователи используют для повторных задач проектирования.

Заключение

Проектирование небоскреба требует сочетания углубленного анализа, итеративной оптимизации и строгого соблюдения кода. RISA Structural Software предоставляет инструменты, необходимые для удовлетворения этих требований в единой среде. От первоначального 3D-моделирования с пользовательскими разделами до нелинейного анализа истории времени и полностью автоматизированной проверки кода, RISA снижает риск ручных ошибок и ускоряет цикл проектирования. Тематическое исследование башни Meridian демонстрирует, что 60-этажное здание может быть тщательно смоделировано, проанализировано и спроектировано в рамках единой программной платформы, с результатами, которые надежны и готовы к производству. Для инженеров-строителей, занимающихся следующим поколением сверхвысоких проектов, RISA остается жизненно важным компонентом цифрового рабочего процесса. Для дальнейших технических ресурсов и тематических исследований посетите страницу тематических исследований RISA .