Digitální trendy ve statice

Odborný článek

Tento text byl přeložen Google překladačem

Zobrazit původní text

Digitalizace ve stavebnictví dynamicky roste. Statici, kteří ve stavebnictví tvoří co do počtu spíše menší skupinu, nejsou vždy právě považováni za ty, co by byli ihned otevřeni všem inovacím. Často k tomu mají i dobrý důvod. Mnozí v tom vidí příčinu toho, proč zde témata jako metoda BIM ještě nejsou standardem. V posledních letech lze ovšem pozorovat jistý obrat v myšlení. Nové digitální trendy se otevřeně přijímají a začínají uplatňovat.

digitalBau jako místo setkávání pro odborníky z branže

V únoru 2020 se v Kolíně nad Rýnem konal poprvé nový veletrh na téma „Digitalizace ve stavebnictví“. Po mnoha těžkých letech pro veletrhy v oboru stavebního softwaru se jedná o první nový veletrh v tomto odvětví, který zaznamenal úspěch. Za povšimnutí také stojí, že se zmíněný veletrh zaměřil výhradně na software, a proto se tomuto segmentu podařilo nezapadnout mezi obvykle přítomnými výrobci bezpočtu stavebních produktů od cihel po okapy. Jsme zvědavi, zda tento veletrh bude pokračovat ve svém úspěšném rozjezdu a zda stoupne za dva roky počet jeho účastníků i návštěvníků. Již nyní je zřejmé, že se jednalo obecně o místo setkání všech známých výrobců stavebního softwaru, a konkrétně pak vývojářů softwaru pro statiku. Kdo pozorně sleduje vývoj v posledních letech, může rozpoznat některé tendence a digitalBau k tomu také poskytl skvělou příležitost.

Informační modelování budov nabývá na významu

Stavební inženýři se již více než 20 let zabývají tím, jak lze zachytit celý životní cyklus stavby pomocí digitálních technologií. Teprve nyní se ovšem zdá, že se již nejedná o několik málo průkopníků. A co víc, také statici rozpoznali příležitost, jak získat nové zákazníky, jak efektivněji pracovat a uvést svou projekční kancelář jako inovativní a progresivní. Poslední bod přitom nelze podceňovat, pokud potřebujeme ve firmě zaměstnat a déle udržet odborníky, jichž je na trhu značný nedostatek.

Nové verze softwaru obsahují stále více nástrojů pro lepší práci s 3D daty a pro digitální komunikaci. Tomu ovšem předcházelo několik let, během nichž se architekti učili oceňovat výhody digitálních dvojčat. Lze tak přece vytvářet atraktivní vizualizace a rychle a přesně odhadovat náklady. Jakmile vytvoříme trojrozměrné modely, chceme je použít také pro další úlohy jako je například statická analýza.

Obr. 01 - Vytvoření modelu v různých BIM aplikacích a v IFC Vieweru a také výpočet modelu v programu RFEM (Deformace, níže)

Proč začínat znovu od začátku, když lze importovat modely přes certifikované Open BIM rozhraní? To byly dosud myšlenky. Již se ovšem objevilo slovo, že digitální výpočetní model se zásadně liší od 3D modelu vytvořeného architektem, ačkoli na první pohled vypadá stejný. Ačkoli je založen na rozměrech a modelových údajích digitálního dvojče, nemusí nutně obsahovat informace o podporách, kloubech a např. Souvisejících zatíženích a kombinacích zatížení, které jsou nezbytné pro výpočet. Model analýzy navíc výrazně zjednodušuje, bez nichž by ani dnes nebyl možný efektivní výpočet. Například v modelu BIM jsou všechny konstrukční prvky označeny jako tělesa.

V modelu statické analýzy se ovšem tělesové prvky počítají zřídkakdy. Místo toho jsou sloupy a nosníky modelovány jako 1D konečné prvky, tj. S počátečním a koncovým uzlem a linií mezi nimi. Tuhost prvku se označují hodnotami průřezu a délkou linie. 3D geometrie tělesa se tak zvětšuje na jednoduché drátěné modely. To znamená, že středové linie a plochy sloupů, nosníků, stropů nebo stěn se vždy nesetkají v uzlu nebo linii, a tak se lze snadno dostat k uvedenému modelu drátů. Místo toho je třeba často posunout a definovat přesněji polohu statické linie působení, abychom získali koherentní výpočetní model.

Obr. 02 - Různé varianty odvození analytického modelu pro ocelové šroubové spoje (červené linie a uzly) pro výpočet v rámcovém programu

Vzhledem k tomu, že to vyžaduje znalosti z oblasti strojírenství, nemusí být vždy software plně automatizován a může vyžadovat značné úsilí. V současném softwaru BIM je tento problém zmapován a jsou zahrnuty oba modely - včetně statického modelu. Speciální nástroje prodlužují, zkracují nebo hledají sousední body a definují je jako statické uzly. Pokud se tyto statické modely převedou v dalším kroku do programu pro statické výpočty, je zapotřebí společný výměnný formát. To nemusí nutně být formát IFC nezávislý na výrobci. Existuje celá řada formátů a přímých vazeb mezi BIM a softwarem pro statickou analýzu, kde se data zapisují přímo z jednoho programu do druhého bez vloženého souboru.

Nová digitální řešení pro simulace zatížení větrem

Jakmile model dorazí do programu pro statickou analýzu, je třeba ho dále upřesnit. Kromě podpor, kloubů a dalších mechanických parametrů je zadání zatížení velkým krokem. Při tradičním postupu se předpoklady zatížení zadávají a zadávají do analytického modelu jako zatížení na pruty nebo plochy. U pravidelných tvarů konstrukcí jsou v normách pro zatížení stanovena pravidla pro zatížení. Použití zatížení z vlastní tíhy, užitného zatížení a zatížení sněhem obvykle způsobuje jen málo problémů. Jiná situace je v případě zatížení větrem. Větrné proudy a turbulence jsou regulovány pouze u jednoduchých těles. I nejběžnější věci, jako jsou vikýře, okapy, přístřešky nebo částečně otevřené budovy, mohou rychle vést k situacím, kdy není jasné, zda převládají sací nebo tlaková zatížení a jaká jsou vysoká. Možnost digitálního plánování však může také podpořit touhu po architektonicky sofistikovaných a extravagantních tvarech budov. I když lze vycházet z předpokladů zatížení, je jejich aplikace v modelu statické výpočty často pracná a náročná na práci. Stejně jako v případě statické analýzy samotné je možné při simulaci proudění větru použít metody založené na metodě konečných prvků a v přednastavení se používá například ve strojírenství. Je zřejmé, že pro simulaci proudění vzduchu a pro stanovení tlaků větru na budovy se používají digitální simulace.

Proto byla simulace zatížení větrem na stánku softwarové společnosti Dlubal hlavním tématem v DigitalBau v Kolíně nad Rýnem. Příslušný program pod názvem RWIND Simulation lze interpretovat jako digitální větrný tunel. To, co je jinak časově a finančně náročnější na replikových modelech v jednom z mála větrných tunelů v Německu, lze nyní analyzovat mnohem rychleji. Digitální modely, které jsou již k dispozici při použití metody BIM, se importují do softwaru a lze je zobrazit s vysokou mírou detailů. Při simulaci proudění větru hraje roli také topografie okolí a sousedních budov. Ty lze také dodatečně importovat a uspořádat ve vztahu k budově. Příslušné normy specifikují základní rychlosti větru a turbulence, které se mají aplikovat v diagramech. Ty lze v softwaru definovat v závislosti na normách jako vertikální profil větru. Na základě těchto údajů se spustí simulace proudění vzduchu z různých směrů. Výsledkem je animovaná vizualizace proudění a rychlosti větru a výsledných tlaků na povrchu konstrukce, které lze následně použít jako statické zatížení.

Obr. 03 - Simulace zatížení větrem na CIMU - ILE DE SEGUIN, Paříž, v digitálním větrném tunelu v programu RWIND Simulation (© www.bouygues.com)

Digitální větrný tunel lze použít ještě efektivněji v kombinaci se softwarem RFEM pro statické výpočty. 3D analytické modely lze přenést přímo do digitálního větrného tunelu. Po dokončení simulace se zatížení automaticky přenesou jako statický zatěžovací stav. Pomocí CFD softwaru, jako je RWIND Simulation, se významná část statické analýzy zvedne na zcela jinou úroveň. Předpoklady zatížení na základě CFD poskytují možnost stanovit realističtější a případně hospodárnější a bezpečnější zatížení na nosné konstrukce. Použití 3D modelů při statické analýze a simulaci větru také šetří čas při zadávání zatížení větrem. Na druhé straně existuje nesrovnalost v tom, že přístupy zatížení založené na standardech zatížení neodpovídají numericky stanoveným zatížením z analýzy CFD. To vyvolává pochybnosti, zvláště pokud je úroveň zatížení nižší. Zde je třeba provést referenční výpočty a ověření číselných výsledků se známými referenčními hodnotami.

Lze ovšem také tvrdit, že zkoušky ve skutečném větrném tunelu představují realitu pouze přibližně vzhledem k velmi zmenšeným modelům, chybám měření a rozdělení senzorů. Navíc lze při zkoušce skutečným větrným tunelem obtížně stanovit pružnost budov. Numerická řešení mají v tomto případě velký potenciál. Standardy zatížení navíc představují velmi zjednodušené metody, které se zpravidla považují za bezpečné nástroje. Obě metody stanovení zatížení - zkouška ve skutečném větrném tunelu a zjednodušené metody normy zatížení - tak představují pouze aproximace skutečného stavu. Proto zatížení stanovená pomocí CFD a RWIND jsou přinejmenším dobrou alternativou, která pomáhá pochopit skutečné podmínky. To je dobrý příklad toho, jak může digitalizace, BIM a inovativní a nové produkty těžit ze stavebnictví. Kromě modelu architektury a analýzy je zapotřebí také digitální větrný model. Zbývá ovšem doufat, že se zákonné podmínky a metody kontroly statické analýzy přizpůsobí novým možnostem a přispějí ke stanovení technického pokroku.

Obr. 04 - Rozdělení tlaku obytného domu s garáží v digitálním větrném tunelu pomocí programu RWIND Simulation

Cloudové služby

Dalším velmi diskutovaným tématem je využívání cloudových služeb pro statické výpočty. Nejde ovšem jen o ukládání dat na serverech, ale také o poskytování informací na internetu a jejich automatické použití. Ve vztahu ke statické analýze již existuje mnoho příkladů, kde lze provádět výpočty na internetu. Příkladem výhod, které mohou statické plánování využít z cloudových služeb, je nástroj Geo-Zone Tool společnosti Dlubal Software. Díky této službě lze měřit zatížení větrem, sněhem, seismicitou a tornáda v mnoha zemích po celém světě. Existují také plány na prodloužení účinků vln tsunami, teplot, dešťů a námrazy. Mapy zatížení jsou založeny na digitálních mapách online mapových služeb, jako jsou Google Maps nebo OpenStreetMap. Pro každou zemi jsou k dispozici příslušné normy. Uživatel má volný přístup k omezenému počtu požadavků. Poté se můžeme přihlásit přístupem ke všem načteným kartám. Prostřednictvím rozhraní (webové služby) mohou webové stránky třetích stran automaticky zadávat dotazy na hodnoty zatížení pro libovolná místa. Služba tak může být integrována také do jiných aplikací.

Obr. 05 - Dlubal online služba pro stanovení zatížení větrem na základě cloudových mapových služeb

Kromě toho můžete použít tabulku profilů online na internetu. Až dosud jste museli v pravidelných intervalech aktualizovat dokumenty nebo získávat profily v tištěné podobě. K dispozici jsou nejen standardní průřezy, ale také tvary průřezů, které lze libovolně zadávat pomocí kót. Online služba tak může poskytnout mnohem víc než neměnnou tištěnou tabulku.

Obr. 06 - Dlubal online služba s rozsáhlými databázemi průřezů a stanovením průřezových hodnot pro statické výpočty

FEA programy a s nimi spočítané projekty jsou někdy tak složité, že v některých případech je nutný intenzivní kontakt s výrobcem softwaru. Opět platí, že existuje trend směrem k více spontánním online školením a podpůrným setkáním. Stejně jako v soukromém životě lze pomocné pracovníky a uživatele kontaktovat přímo, alespoň v případě jednoduchých otázek. Dnes to jde daleko nad rámec obvyklého e-mailového požadavku a můžete nás kontaktovat pomocí funkcí pro komentáře na sociálních sítích, jako je Facebook nebo Instagram. Někteří výrobci také nabízejí chatové funkce na webových stránkách, které automaticky vyhledávají možné odpovědi na dotazy pomocí umělé inteligence. Pokud jste si již rezervovali školení, které se příjezdem stalo několik dní, najdete nyní na YouTube kanálu "Samostatné školení" v podobě nahraného webináře nebo zákaznické akce.

Obr. 07 - Dlubal YouTube kanál s podrobnými technickými webináři pro samostudium různých statických témat

Webové stránky, například společnosti Dlubal Software, byly vyvinuty v komplexní portál pro statickou analýzu. Kromě tradičního fóra existuje mnoho často kladených dotazů (FAQ), které pomáhají řešit problémy mimo pracovní dobu. Odborné znalosti na určitá témata poskytují odborné články. Veškerý obsah je zdarma a lze ho najít na internetu pomocí textového a klíčového slova.

Obr. 08 - Web společnosti Dlubal Software s odbornými články a příklady výpočtu

Klíčová slova

BIM Informační model budovy RWIND Simulation Zatížení větrem Simulace zatížení větrem CFD Projekční kancelář

Odkazy

Kontakt

Máte dotazy nebo potřebujete poradit?
Kontaktujte prosím kdykoli naši bezplatnou technickou podporu e-mailem, na chatu nebo na fóru anebo se podívejte do sekce často kladených dotazů (FAQ).

+420 227 203 203

info@dlubal.cz

RFEM Hlavní program
RFEM 5.xx

Hlavní program

Program RFEM pro statické výpočty metodou konečných prvků umožňuje rychlé a snadné modelování konstrukcí, které se skládají z prutů, desek, stěn, skořepin a těles. Pro následná posouzení jsou k dispozici přídavné moduly, které zohledňují specifické vlastnosti materiálů a podmínky uvedené v normách.

Cena za první licenci
3 540,00 USD
Compatible Programs Program
RWIND Simulation 1.xx

Samostatný program

Samostatný program pro numerickou simulaci proudění vzduchu v digitálním větrném tunelu a export vygenerovaných zatížení větrem do programu RFEM nebo RSTAB.

Cena za první licenci
2 690,00 USD