Proč 3D modely při statickém posouzení?

Chcete si poslechnout celý rozhovor o 3D modelech a jejich využití? Celý díl najdete zde:

#002 Proč 3D modely při navrhování konstrukcí?

Nová technologie a nové modely

Konstrukce, jako jsou mosty nebo kancelářské komplexy, jsou ve skutečnosti trojrozměrné. Dříve nebylo možné počítat trojrozměrné modely a konstrukce, a proto bylo třeba konstrukce zjednodušit a rozložit do dílčích rovinných systémů. Díky výkonným počítačům a softwaru ovšem tato zjednodušení už nejsou nutná. Výpočet 3D modelů je možný a podporují ho digitální trendy, např. BIM nebo nové možnosti pro realistickou vizualizaci modelů.

Při navrhování konstrukcí je důležitá koncepce pro statiku: Jak zpracuji statické výpočty a jak uspořádám celý svůj statický návrh? Na začátku rozmýšlíme, jak konstrukce funguje, v jakých směrech působí zatížení, jestli lze všechna zatížení přenést až do základů, jaká musí být vzdálenost mezi příslušnými sloupy a příčnými spřaženými nosníky a tak dále. K tomu se 3D model skvěle hodí, lze z něj také mnohem lépe vyčíst a pochopit příslušné síly.

Také stabilita hraje při výpočtu důležitou roli. Ve 2D statice se ovšem často nebere v potaz, protože se zde používají idealizované modely. Zejména u složitějších konstrukcí to může být problém. Ale co je to vlastně stabilita? Když se například v médiích mluví o stabilitě, myslí se tím vlastně únosnost. Pro příklad toho, co vlastně stabilita opravdu znamená, si můžeme představit dlouhé pravítko. Lze ho pomalu ohýbat, a nějakou dobu to vydrží, až se nakonec zlomí. Konstrukce se deformují, to je do určité míry normální, dokud se nepřekročí kritický bod. Ve 3D můžeme vůbec nebo mnohem lépe vidět, kde nastávají problémy se stabilitou a můžeme proti tomu učinit opatření. Globální stabilitní selhání jako závěrečný stav tu lze mnohem snáz pochopit.

BIM modely

BIM poskytuje takto idealizované 3D modely jako základ pro statické posouzení, které lze od začátku použít pro výpočet. V ideálním případě je 3D model v BIM zpracován přímo z CAD modelu architekta, což znamená značnou časovou úsporu. Tento model je užitečným způsobem, jak předběžně posoudit a vyhodnotit, jaká konstrukce je správná pro statickou analýzu.

Proč nemůžeme BIM modely hned použít dál pro posouzení? Zde pozorujeme další trend: úplné propojení parametrického navrhování s architektonickým softwarem tak, aby je bylo možné dále přímo použít. Procesy výměny dat v BIM ještě nefungují zcela bezchybně, ale neustále se zlepšují.

Jaké jsou výhody 3D modelů?

Mnoho stavebních konstrukcí nelze dobře popsat a spočítat ve 2D, když jsou geometrie a konstrukce složitější. Příkladem mohou být konstrukce volného tvaru nebo membránové konstrukce, jako je Olympijský stadion v Mnichově. U 2D se počítá se zvýšenou bezpečností. S 3D modelem tu je možný podstatně ekonomičtější výpočet.

Dalším důležitým faktorem při výpočtu je zatížení větrem. Statici pro svoje výpočty budovy zatíží. K tomu patří stálá zatížení, jako je skladba podlahy nebo užitná zatížení. Pro zatížení sněhem jsou ještě relativně jasná pravidla, u zatížení větrem to platí ovšem pouze pro zjednodušené tvary a geometrie. Při výpočtech zatížení větrem je otázka, jak správně uvažovat příslušná zatížení. V tradiční statice se až dosud počítalo s vyšším zatížením, abychom byli na straně bezpečnosti. Nyní už ale také existují softwarové nástroje s digitálními větrnými tunely pro ekonomičtější výpočty. Ty fungují pouze u 3D modelu.

Dalším bodem je dynamická analýza. Výpočty zemětřesení také fungují téměř jen s 3D modely. Vlastní tvary, kmitání a frekvence jsou výsledky, které musí projektant zohlednit, aby mohl posoudit, zda konstrukce odolá danému seizmickému zatížení.

Digitalizace přináší revoluci v plánování a výpočtech.

3D modely nabízí také flexibilitu při změnách, které opakovaně nastávají v průběhu plánování. Při procesu výstavby je důležité mít jasno v tom, co je konstrukčně proveditelné a jaké změny byly nebo musí být provedeny.

V dnešní době se automaticky vytvoří i kompletní 3D statický model a upravené síly se v systému okamžitě přenášejí z dílce na dílec. Pokud to necháme programem přepočítat, model je vždy aktuální a každý má k němu přístup. Úsilí navíc, které se vynaloží na začátku, protože je třeba pečlivě zadat veškeré hodnoty, se tak vyrovná.

Dříve se používala statika částí konstrukce. Přitom se identifikují jednotlivé prvky konstrukce a následně se spočítají. Nosné prvky, jako jsou stěny atd., jsou položky, na které se statik podívá ve svých statických výpočtech, identifikuje je a zadá příslušné rozměry a průřezy, se kterými následně pracuje prováděcí firma.

3D modely jsou také výhodné pro detailní statiku. Jedná se například o přípoje v ocelových konstrukcích, u nichž z jednoho bodu nebo uzlu vychází několik prutů nebo spojů. Software MKP usnadnil realizaci takto náročných výpočtů a uzlových bodů s mnohem ekonomičtějšími výsledky.

Dalším vedlejším efektem 3D modelů jsou názornější výsledky, a to i pro neodborníky. Kompletní model ve 3D je srozumitelnější než množství dílčích modelů. Deformace, napětí a síly jsou k tomu zobrazeny ve vizualizaci. 3D modely působí na účastníky profesionálním dojmem: statik si tak získává dobrou image a klienti mu více důvěřují.

Na 3D modelech lze také dále odhadnout náklady a materiál. Při optimalizaci modelu, pokud jde o tvar, funkci a hmotnost, je člověk velmi flexibilní a lze ji provést rychle. Při větších stavebních projektech a složitějších geometriích nabízejí 3D modely jasné výhody.

2D a 3D statika by si však neměly stát v cestě a ani by si neměly konkurovat, ale doplňovat se. Každá z nich je vhodná pro jiné výpočty. Koneckonců volba je na inženýrovi.