Proč 3D modely při statickém posouzení?

Odborný článek

Konstrukce jsou ze své podstaty trojrozměrné. Nicméně vzhledem k tomu, že v minulosti nebylo možné provádět výpočty na trojrozměrných modelech, byly konstrukce zjednodušovány a rozdělovány na dílčí rovinné systémy. Se zvyšujícím se výkonem počítačů a příslušného softwaru dnes často můžeme od podobných zjednodušení upustit.

Digitální trendy, jako například Building Information Modeling (BIM) nebo nové možnosti vytváření realistických vizualizovaných modelů, tento směr potvrzují. Přinášejí nám ovšem 3D modely opravdu výhodu anebo pouze sledujeme současný trend? V našem článku uvádíme některé argumenty pro práci s 3D modely.

Statický návrh a stabilita

Na počátku stavebního projektu je třeba dobře uvážit, jak má konstrukce fungovat. Vyvstávají otázky, jako jsou maximální možné vzdálenosti sloupů a nosníků, poloha střešních a stěnových ztužení, provedení základů. Je třeba navrhnout nosnou konstrukci budovy.

I v případě zdánlivě jednoduchých staveb lze ale již uvažovat například o možném vypuštění výztužných prvků nebo o jejich optimálním uspořádání. Pokud ovšem pracujeme pouze s půdorysem, s pohledy a řezy, není právě snadné pochopit, kudy a jak se zatížení přenáší. Nakonec na 3D modelu si lze lépe představit průběh sil a jejich přenos do základů. Pochopení funkce konstrukce je tak základem pro hospodárný návrh celé konstrukce. Pro bezpečnost je navíc také důležité rozpoznat slabiny konstrukce z hlediska stability.

Ve zjednodušeném, rovinném 2D modelu jsou takové stabilitní problémy, jako je vybočení z roviny nebo jednoduché překlopení, již z podstaty vyloučeny. Takové problémy se při výpočtu nevyskytují, a lze je proto přehlédnout. Při trojrozměrných výpočtech je ale statik nucen zohlednit mechanismy prostorového porušení. Nedostatky ve statickém návrhu se tak většinou nevyhnutelně při výpočtu odhalí.

Ve 3D modelu tak lze také lépe uvážit globální stabilitní selhání na celém modelu.

Informační modelování budov poskytuje 3D modely

Využití moderních metod plánování, jako je Building Information Modeling, vychází z 3D modelů, které jsou také základem statického návrhu a mohou představovat již dobře promyšlené vstupní modely pro výpočet. Model tak v ideálním případě již zahrnuje 3D model pro statickou analýzu a můžeme si tak ušetřit čas.

V mnoha případech, kdy je potřeba předběžné posouzení nebo jednoduché zhodnocení statiky k nalezení správné konstrukce, to může být velmi rychlé a užitečné řešení. Dalším trendem je plně parametrické plánování, kdy je statická analýza kompletně propojena s architektonickým softwarem. Při cílené úpravě parametrů tak lze ověřit a automaticky propočítat mnoho variant.

2D nestačí pro všechny konstrukce a typy budov

Pokud nelze budovu rozdělit jednoduše na dílčí konstrukce, u nichž je přenos zatížení jasný, pak často neexistuje jiný způsob než použít 3D model. Ne každá budova se řídí pravidelným rastrem. Přenos zatížení je tak složitý a lze ho obtížně vysledovat. Vzhledem k nejistotě pak pracujeme s maximálním zatížením, abychom byli na straně bezpečnosti. To však vede k nehospodárným výsledkům.

Simulace účinků na celý model je často názornější a snazší

3D výpočetní programy mohou automaticky generovat zatížení, jako je vlastní tíha, vítr nebo sníh, u standardních tvarů budov. Předpokladem přitom je, že známe rozměry budovy. Pokud používáme celé modely, lze tyto rozměry snadno odvodit z modelu. Profily zatížení větrem a sněhem lze na konstrukci aplikovat automaticky. Při změně geometrie se zatížení také automaticky změní. Simulace v digitálním větrném tunelu jsou možné pouze u 3D modelů.

Dynamická analýza 2D modelů je často nedostatečná

Při posouzení zemětřesení nebo jiné dynamické analýze je třeba zohlednit prostorové vlastní tvary.

Podobně je třeba odpovídajícím způsobem superponovat seizmická buzení ve směru x a y. Důležitou roli hrají náhodná zatížení zkroucením. Upustit od používání 3D modelů lze proto pouze v nejjednodušších případech.

Flexibilita při změnách

Proces plánování se vyznačuje změnami. Pro proces výstavby je důležité mít vždy jasno v tom, co je staticky proveditelné a jaké změny je třeba provést. V tradiční statické analýze to může znamenat, že je třeba znovu zvážit všechna uvažovaná zatížení.

V případě kompletního 3D modelu konstrukce se upravované síly automaticky zahrnují do systému a přenáší z dílce na dílec. Při novém výpočtu se pak aktualizují všechna posouzení. Tím se kompenzuje případně větší počáteční náročnost.

Problematické podporové podmínky při vytváření dílčích modelů

Při vyjímání dílčích modelů z celkového modelu je třeba zadat návazné body dílčího modelu se zadáním podpor. Protože tuhosti v těchto návazných bodech nejsou ve většině případů známy nebo je lze jen obtížně stanovit, používají se pro zjednodušení kloubová nebo tuhá uložení. Tyto předpoklady jsou správné pouze za určitých podmínek a v porovnání s modely, které získávají tuhosti v návazných bodech z celkového modelu, nutně vedou k rozdílným výsledkům.

Podrobná statická analýza má smysl pouze jako 3D model

Použití 3D skořepinových modelů, například při navrhování přípojů v ocelových stavbách, odpovídá aktuálnímu technickému vývoji. Bez 3D řešení by takové analýzy nebyly možné. V těchto případech není použití 3D modelů vůbec zpochybňováno, naopak je dokonce vyžadováno. Proto není pochopitelné, proč by se 3D výpočty neměly používat pro výpočet celých budov.

Vedlejší účinky 3D světa

V mnoha případech je výsledek při použití 3D výpočetního modelu mnohem názornější než při rozdělení konstrukce na mnoho dílčích modelů. Chování konstrukce při zatížení lze podstatně lépe pochopit například na vizualizacích deformací, napětí a sil.

Tyto modely také u zúčastněných stran budí profesionální dojem, a starají se tak navíc statikovi o dobré renomé. Modely lze použít také přímo pro počáteční stanovení hmot a pro odhad nákladů. Díky zmíněné flexibilitě lze optimalizovat tvar, funkci i hmotnost.

Závěr

Existuje mnoho důvodů, proč používat 3D modely také ve statice. 2D a 3D modely si tu ovšem nekonkurují, ale doplňují se. Samozřejmě jsou také jednoduché případy, kdy 3D model žádné výhody nepřináší. V obou případech nakonec záleží na statikovi, který způsob modelování zvolí.

Klíčová slova

3D model 2D model BIM Informační model budovy Analytický model Statický model

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
RSTAB Hlavní program
RSTAB 8.xx

Hlavní program

Program pro statický výpočet a navrhování prutových a příhradových konstrukcí, provedení lineárních a nelineárních výpočtů vnitřních sil, deformací a podporových reakcí.

Cena za první licenci
2 550,00 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