Simulace kolapsu konstrukcí krok za krokem pomocí programu RFEM a Bullet Constraints Builder (BCB) v programu Blender

Úvod

Mimořádné situace vytvářejí náročné pracovní podmínky pro záchranáře USaR (Vyhledávací a záchranný odřad HZS do obydlených oblastí). Důležitým cílem je dosáhnout výrazného zkrácení času pátrací fáze USaR poskytnutím komplexních situačních řešení pro lepší detekci a lokalizaci uvězněných obětí s pomocí simulačních nástrojů pro predikci kolapsu konstrukcí, stejně jako celistvý mechanismus pro rozhodování, který zahrnuje operační postupy a zdroje příslušných aktérů.

Metodou extrémního zatížení konstrukcí (Extreme Loading for Structures - ELS) mohou statici správně simulovat, analyzovat a vizualizovat progresivní kolaps způsobený extrémními zatěžovacími situacemi, jako jsou zemětřesení, silný vítr, výbuchy, dynamické nebo rázové zatížení. Odborníci mohou také odhadnout zranitelnost konstrukce vůči progresivnímu kolapsu pomocí simulace selhání různých komponent a stanovení, zda bude výsledné zřícení částečné nebo úplné. Výztuž modelu, ocelové průřezy a detaily předpětí, které se obvykle předpokládají nebo zanedbávají, lze snadno přidat do modelu ELS, čímž se výrazně zlepší model a jeho výsledky. Účinky koroze v průběhu času lze uvažovat pomocí automatického vytváření trhlin, plastických kloubů a mechanismů porušení.

Zatížení, která lze použít, jsou v zásadě neomezená a lze je přidávat v souladu s multi-rizikovým přístupem postupným zatěžováním pro simulaci opakujících se nebo řetězících se událostí, jako jsou zemětřesení, požár, výbuch, náraz, tsunami, silný vítr a postupný kolaps. ELS může poskytnout přesnou simulaci a analýzu navržených demoličních plánů pomocí výbušnin, demoliční koule, tlačné nebo tažné síly nebo ruční demolice.

Nová metoda výpočtu s názvem AEM (Applied Element Method) kombinuje prvky metody diskrétních prvků (DEM) s metodou konečných prvků. Jednoduše řečeno, AEM dokáže automaticky modelovat kolaps od oddělení prvků až po konečný kolaps a predikci trosek. Metoda MKP je vhodná do okamžiku oddělení prvků, zatímco metoda DEM je vhodná po oddělení prvků. Během více než dvou desetiletí nepřetržitého výzkumu a vývoje se ukázalo, že AEM je jedinou metodou, která může sledovat chování konstrukce při kolapsu ve všech fázích zatížení zahrnujících elastické zatížení, vznik a šíření trhlin v materiálech slabých v tahu, plastizace výztuže a oddělení prvků, kolize prvků (kontaktu) a kolize se zemí a okolními konstrukcemi [1].

Cílem použití programů RFEM 6 a Blender s addonem Bullet Constraints Builder je získat grafické znázornění kolapsu modelu na základě simulace reálných fyzikálních dějů. RFEM 6 přitom slouží jako zdroj geometrie a údajů pro simulaci. Je to další příklad, proč je důležité mít naše programy tzv. BIM Open, aby bylo možné realizovat spolupráci napříč softwarovými doménami.

Implementace

Krok 1: Modelování v programu RFEM

Zde dostupný model v programu RFEM 6 (3D ocelová konstrukce sila) je použit jako případová studie pro simulaci kolapsu. V této fázi musíme zadat geometrii konstrukce, materiálové vlastnosti a okrajové podmínky (podpory), jak je znázorněno na obrázku 1.

V další fázi je třeba exportovat model ve formátu IFC z programu RFEM a importovat ho do programu Blender (obrázek 2).

Krok 2: Modelování v BCB Blender

1) Stáhněte a nainstalujteSoftware Blender verze 3.5 aSoftware Blender verze 2.79.

2) Stáhněte a nainstalujteBullet Constraints Builder pro Blender verze 2.79 (obrázek 3).

3) Stáhněte a nainstalujteAddon BlenderBIM pro aktivaci importu formátu .IFC do programu Blender verze 3.5 (obrázek 3). Možnost importu formátu IFC modelu je k dispozici pouze po aktivaci BIM addonu v nastavení programu Blender (obrázek 4).

4) Exportujte model ve formátu .OBJ z programu Blender verze 3.5 a importujte ho do programu Blender verze 2.79 (obrázek 6).

5) Klasifikace prvků modelu do "skupin" a jejich rozdělení podle typu - nosníky, desky, základy atd. Pro tyto skupiny lze přidat vlastnosti v tabulce a seznamu skupin prvků (obrázek 7). Pro nastavení parametrů pro jednotlivé skupiny lze také využít přednastavené hodnoty pro základní typy materiálů v tabulce, například pro železobetonové a ocelové konstrukce (obrázek 8).

6) Pro nastavení skupin je důležité, aby se skupiny v tabulce jmenovaly stejně jako skupiny vytvořené v modelu Blender (obrázek 9).

7) Na obrázku 10 jsou údaje nastavení nosníků.

8) Informace o plochách jsou znázorněny na obrázku 11.

9) Předpokládaná okrajová podmínka (podpora) a informace o základu jsou znázorněny na obrázku 12.

10) Informace o kruhové části jsou znázorněny na obrázku 13.

11) Na obrázku 14 jsou znázorněny také informace o celkovém nastavení.

12) StáhněteČasový průběh zemětřesení a nahrajte jej do programu BCB Blender 2.79, jak je znázorněno na obrázku 15.

13) Mezní hodnota minimální velikosti je definována jako 1,50 v diskrétním průřezu (obrázek 16).

14) Ujistěte se, že v sekci pro nástroje preprocesingu (Preprocessing Tools) je vybrán automatický režim (zaškrtnuto políčko "Run On Automatic Mode"). Tím se nástroje preprocesingu stanou součástí automatického režimu (obrázek 17).

15) Před ukončením této fáze doporučujeme uložit konfiguraci prvku, jak je znázorněno na obrázku 8. Při každém otevření souboru programu Blender je tak možné znovu načíst nastavení (obrázek 18).

16) Průběh simulace lze sledovat v okně systémové konzole (obrázek 19), které by mělo být stále otevřené. Pomocí monitoru systému lze také shromáždit užitečná data pro odstraňování problémů a poté stisknutím klávesy "A" na klávesnici vybrat kompletní model.

17) Poté je třeba stisknout tlačítko Build (obrázek 20), čímž se před spuštěním simulace automaticky spustí nástroje preprocessing.

18) Zkolabovaný model je nakonec znázorněn na obrázku 21. Pro finální vykreslení můžete opět použít nejnovější verzi Blenderu. Pod tímto článkem najdete ukázku našeho výsledného souboru s kolapsem v programu Blender 2.79 a souboru s nastavením pro renderování finální animace v programu Blender 3.5.

Shrnutí

V aktuálním článku databáze znalostní jsme popsali postup grafického znázornění kolapsu modelu na základě reálných fyzikálních vlastností pomocí programů RFEM 6 a Blender s addonem Bullet Constraints Builder. RFEM 6 přitom slouží jako zdroj geometrie a údajů pro simulaci. Je to další příklad, proč je důležité mít naše programy tzv. BIM Open, aby bylo možné realizovat spolupráci napříč softwarovými doménami.