Atvērtā koda programmatūras un to lietošanas iespējas būvniecībā

Būvju un tiltu konstrukciju projektēšanā būtiska loma ir konstrukciju aprēķinu programmām. Paralēli plašajam komerciālo programmu klāstam (LIRA, AXIS VM, STAAD, ANSYS utt.) ir tā sauktās atvērtā koda programmas. Šajā rakstā uzzināsiet, kas ir atvērtā koda programmas, kādos gadījumos un kādas ir izdevīgi izmantot.

Atvērtā koda (open source) programmu lietotājam ir pieeja programmas kodam ar attiecīgiem licences nosacījumiem. Lielākā daļa atvērtā koda programmu ir bezmaksas un balstītas uz GNU GLP (General Public License) vai LGLP (Lesser General Public License) licenci. Šajā rakstā visas pieminētās atvērtā koda programmas ir bezmaksas. Šīs licences nosaka, ka lietotājam ir tiesības izmantot programmu arī komerciāliem nolūkiem, piemēram, ēku aprēķinu un projektēšanas veikšanai. LGPL licence pieļauj arī iespēju lietotājam izstrādāt savu programmu, kurā izmantota atvērtā koda programma, un pārdot to kā komerciālu programmu. Atvērtā koda programmas izstrādā individuāli programmu izstrādātāji vai organizācijas. Programmas izstrādāšanā un attīstībā var piedalīties jebkurš inženieris, programmētājs vai kāds cits speciālists. Tas arī ir galvenais iemesls šo programmu plašajām iespējām un straujajai attīstībai.

Kurš izmanto atvērtā koda programmatūras?

Atvērtā koda programmas lieto inženieri un zinātnieki, kuri risina sarežģītas inženiertehniskas problēmas, ko bieži vien ar komerciālajām programmām nevar atrisināt, vai arī komerciālās programmas licences iegāde nav izdevīga specifiska projekta dēļ. Ir kompānijas, piemēram, ENGYS, kas izstrādā komerciālas CFD (Computational Fluid Dynamics) programmas HELYX un ELEMENTS, un tajās kā aprēķinu moduli izmanto atvērtā koda programmu OpenFOAM. Atomelektrostaciju projektēšanā, kur jāievēro visaugstākie drošības standarti un nepieciešams pēc iespējas precīzāk modelēt konstrukcijas patieso darbību, enerģijas piegādes kompānija EDF Group izmanto Code_Aster atvērtā koda programmu.

Izvēles kritēriji

Atkarībā no tā, kāda tipa problēmas tiek risinātas, ir svarīgi izvēlēties piemērotāko atvērtā koda programmu. Izvēloties programmu, jāpievērš uzmanība vairakiem jautājumiem:

• Programmas iespējām (aprēķinu modeļi, ievades datu ģenerēšana, importēšana un eksportēšana, piemēram, uz AutoCAD programmu, rezultātu vizualizācija).
• Kas ir šīs programmas primārais izstrādātājs (individuāli "entuziasti" vai kāda kompānija)?
• Programmas licence (izdevīgākā licence no lietotāja viedokļa ir GNU LGPL).
• Kādi bija primārie mērķi šīs programmas izstrādei?
• Vai programmas attīstību finansē kāda kompānija vai organizācija?
• Cik bieži tiek izdotas jaunas versijas un atjauninājumi.
• Programmas lietošanas pamācība, dokumentācija.
• Programmas validēšana ar eksperimentu datiem.
• Citu kompāniju pozitīvas atsauksmes pēc programmas lietošanas.

Konstrukciju aprēķinos, kur programmu uzticamība un pareizība ir izšķiroša, patlaban piemērotākā atvērtā koda programma ir Code_Aster. Šo programmu sākotnēji (kops 1989. gada) izstrādāja kompānija EDF Group atomelektrostaciju aprēķiniem un projektēšanai.

Būvkonstrukciju aprēķinu programmas

Lai projektētu drošas būvkonstrukcijas, nepieciešams iespējami precīzs galīgo elementu modelis ēkas iekšējo piepūļu, spriegumu, deformāciju un pārvietojumu aprēķiniem. Šim nolūkam Code_Aster aprēķinu programma Solver un programma Salome (pre and postprocessing; vizualizācijas, ģeometrijas un galīgo elementu tīkla ģenerācijas platforma) ir piemērotākās. Šīs programmas iespējams izmantot atsevišķi vai vienā integrētā platformā Salome-Meca. Aprēķini pēc Eirokoda nav iestrādāti atvērtā koda programmās, taču lietotājam ir iespēja izmantot savas Excel tabuliņas šim nolūkam, kā arī automatizēt aprēķinus, iestrādājot Excel tabulas Salome-Meca platformā kā plugin programmu, nezaudējot kontroli un aprēķinu caurspīdīgumu.

Code_Aster programmā pieejami statikas, dinamikas, temperatūras, aerodinamikas un akustikas aprēķini. Programma piedāvā stieņu, plātņu, čaulu un tilpuma 3D galīgos elementus (kopā 400 dažādi galīgie elementi). Īpaši interesanta ir inovatīvā tehnoloģija, kas ļauj efektīvi izmantot dažāda tipa galīgos elementus vienā modelī un veidot savienojumus starp stieņu-tilpuma, stieņu-čaulu un čaulu-tilpuma elementiem. Šī tehnoloģija ļauj precīzāk un ar samērīga izmēra galīgo elementu modeli modelēt sarežģītus konstrukciju mezglus. Tādās programmās kā, piemēram, LIRA, šīs tehnoloģija nav.

Code_Aster programma piedāvā 95 materiālu uzvedības modeļus: elastīgu (izotropu, transversiāli izotropu, ortotropu un anizotropu), plastisku, viskoplastisku un dažādus dzelzsbetona materiālu modeļus. Programmā ietverta slāņainu kompozītu mehānika, un tā ļauj rēķināt ne tikai tradicionālās dzelzsbetona, tērauda un koka konstrukcijas, bet arī kompozītus, piemēram, oglekļa šķiedras, stiklašķiedras, saplākšņa un hibrīdos materiālus.

Papildus tam, ko piedāvā standarta konstrukciju aprēķinu programmas, piemēram, LIRA, AXIS VM un citas, Code_Aster programmā ir iespēja veikt kontakta mehānikas aprēķinus. Tas ir noderīgi, projektējot kustīgus balstus, locīklas, trošu un citas konstrukcijas.

Īpašu interesi izraisa multišķiedru stieņu galīgais (multi-fiber beam) elements, kas dod iespēju definēt nesimetriskus siju un kolonnu šķērsgriezumus un ievērtē vērpes un papildu lieces momentu, kas rodas liecē, stiepē vai spiedē no nesimetriskā šķērsgriezuma. Tāpat iespējams tērauda stiegrām definēt plastisku, bet betonam nelineāru un atšķirīgu darbību spiedē un stiepē. Šim stieņa elementam nav izteiktas matemātiskas konverģences problēmas, kā tas ir, piemēram, 3D galīgajiem elementiem, modelējot plaisas betonā. Šis galīgais elements ir robusts un dod inženieriem iespēju rēķināt dzelzsbetona konstrukcijas nelineārajā stadijā.

Code_Aster un Salome programmās aprēķinu modeļus var ģenerēt, ne tikai izmantojot grafisko interfeisu, bet arī PYTHON skriptu (līdzīgi kā Abaqus programmā), kas dod iespēju parametriskā veidā ģenerēt galīgo elementu modeļus un pēc vajadzības, nomainot parametru vērtības, iegūt jaunu modeli, kas ir svarīgi konstrukciju optimizācijā un sākotnējā projektēšanas stadijā, lai izvēlētos pēc iespējas optimālāku konstrukcijas risinājumu.

Code_Aster programma darbojas Linux sistēmā, bet Salome – gan Linux, gan Windows sistēmās. Code_Aster, Salome-Meca un OpenFOAM drīzumā būs pieejamas RTU aprēķiniem paredzētajā jauniegādātajā Linux klasterī, kas dod iespēju veikt aprēķinus ar paralēli savienotiem līdz pat vairākiem simtiem datoru, tādējādi vairāk nekā simt reižu palielinot aprēķinu ātrumu.

Ēku aerodinamikas aprēķini

Gadījumos, kad jāprojektē ēkas ar sarežģītu formu un ģeometriju, EC-1 rekomendē noteikt vēja slodzi, veicot vēja tuneļa testus un/vai lietojot validētas aprēķinu programmas. Vēja tuneļa testiem lielākais trūkums ir mēroga efekts. Aerodinamikas spēki un turbulence 100 reižu samazinātam ēkas modelim ir atšķirīga no reālās ēkas. Izmantojot CFD programmas, var simulēt vēja tuneļa testu patiesā izmēra ēkām. OpenFOAM atvērtā koda bezmakas programmā ir validēti aprēķina modeļi ēku aerodinamikas simulācijām ar dažādiem turbulences modeļiem (atkarībā no vēja ātruma), kā arī iespējams noteikt vēja spiediena koeficientu Cpe sarežģītas formas konstrukcijām. OpenFOAM programma atbalsta iespēju importēt ēku ģeometriju STL failu formātā, ko atbalsta lielākoties visas CAD programmas, piemēram, AutoCAD. OpenFOAM kopā ar PARAVIEW vizualizācijas programmu ir reālas alternatīvas Autodesk CFD vai XFLOW aprēķinu programmām.

OpenFOAM dod iespēju veikt arī nestacionārus, laikā mainīgus vēja slodzes aprēķinus un noteikt pulsācijas efekta frekvenci un amplitūdu, piemēram, tilta konstrukcijām.

Padevīgas konstrukcijas, kurām var būt relatīvi lieli pārvietojumi vēja slodzes iespaidā, piemēram, tentu tipa konstrukcijas, konstrukcijas formas maiņa slodzes ietekmē var izmainīt aerodinamikas spēkus uz konstrukciju. Lai šo efektu ņemtu vērā, jāveic saistītais (Coupled) aerodinamikas – konstrukciju aprēķins. Code_Aster programmā ir speciāls (Fluid-structure interaction) solveris, kas piedāvā šo iespēju.

Eksistē arī specializētākas atvērtā koda aprēķina programmas, piemēram, OpenSEES seismisku iedarbju aprēķiniem uz ēkām un tiltiem.

Konstrukciju aprēķini zemestrīču iedarbībā

Gadījumos, kad jāprojektē konstrukcijas seismiski aktīvajiem rajoniem, var izmantot atvērta koda programmu OpenSees (The Open System for Earthquake Engineering Simulation), ko izstrādāja Pacific Earthquake Engineering Research Center. Ar šo programmu var modelēt un analizēt nelineāro sistēmas uzvedību, izmantojot lielu materiālu modeļu bāzi, elementu bāzi un dažādus risināšanas algoritmus. Programma ļauj veikt aprēķinus, izmantojot paralēlo skaitļošanu ar vairākiem datoriem, kas ir īpaši svarīgi, rēķinot lielas konstrukcijas ierobežotā laikā. Programmai pieejama izklāsta dokumentācija un aprēķinu piemēri. OpenSees ir izveidota, izmantojot C++, Fortran un C bibliotēkas. Programmai nav grafiska lietotāju interfeisa, tāpēc jāizmanto komandrindas komandas.

Ugunsdrošības un komforta aprēķini

Dūmu izplatības aprēķini. Siltuma sadalījums telpās. Gaisa cirkulācija telpās.

FDS (Fire Dynamics Simulator) ir atvērta koda programma, kas realizē šķidrumu un gāzu plūsmas dinamikas modeli (CFD), siltuma un masas pārnesi degšanas laikā. Īpaša uzmanība pievērsta dūmu izplatībai un siltumpārnesei ugunsgrēka laikā. Smokeview ir papildprogramma FDS programmas rezultātu vizualizācijai. Programmas izstrādāja ASV Finanšu departamenta Nacionālais standartu un tehnoloģiju institūts. Programmai ir pieejama izvērsta dokumentācija.

Tehniskais atbalsts atvērtā koda programmām

Atvērtā koda programmu apguves process var būt ilgāks un sarežģītāks par maksas programmu apgūšanu. Lai paātrinātu programmas apgūšanu, ir kompānijas, kas specializējas tehniska atbalsta sniegšanā dažādām atvērtā koda programmām. Tabulā apkopota informācija par dažām šādām kompānijām.

Kompānijas, kas nodrošina tehnisku atbalstu atvērtā koda programmatūrai

Jebkuru aprēķinu programmu lietotājam der atcerēties, ka programma ir tikai instruments un tās lietotājam nepieciešamas zināšanas, lai saprastu iegūtos rezultātus un konstatētu kļūdas. Par programmas rezultātu ir atbildīgs tikai un vienīgi tās lietotājs, nevis izstrādātājs. Paralēli galīgo elementu aprēķiniem noderīgi veikt analītiskus rokas aprēķinus rezultātu pārbaudei.

Jānis Šliseris, Dr. sc. ing.,
Vadims Goremikins, Dr. sc. ing.

Mārīte Šperberga,
Žurnāla "Būvinženieris" galvenā redaktore

Publicēts žurnāla "Būvinženieris" 2015.gada Nr.45

Foto: Groupe Canam/Flickr.com