Najnowsze trendy w oprogramowaniu do analizy statyczno-wytrzymałościowej i projektowania

Artykuł techniczny na temat analizy statyczno-wytrzymałościowej w programach Dlubal Software

  • Baza informacji

Artykuł o tematyce technicznej

Artykuł został przetłumaczony przez Google Translator

Podgląd oryginalnego tekstu

Przemysł budowlany podlega coraz dalej idącej digitalizacji. Konstruktorzy, jedna z mniej licznych grup w branży budowlanej, z reguły nie od razu dołączają do najnowszych trendów. Często nie bez przyczyny. Wiele osób uważa to za powód, dla którego zastosowanie metod BIM nie jest jeszcze standardem w projektowaniu konstrukcji. Jednakże ostatnie kilka lat pokazało, że rozpoczął się proces zmiany w mentalności a konstruktorzy coraz częściej sięgają do nowych trendów w technologii cyfrowej i wykorzystują je w swoich projektach.

Spotkanie branżowe: digitalBau

W lutym 2020 r., w Kolonii, po raz pierwszy odbyły się nowe targi „Digitization in the Construction Industry”. Po wielu latach kiedy imprezy branży budowlanej skupiały się zwykle na dostawcach materiałów i systemów, jest to pierwsza udana zmiana koncepcji targów w tym sektorze przemysłu. Sukcesem jest fakt, że wydarzenie skupiło się wyłącznie na oprogramowaniu, a zatem segment ten nie został zdominowany przez innych wystawców. Mamy nadzieję, że ten udany start przełoży się w najbliższych latach na rosnącą liczbą wystawców i odwiedzających. Było to spotkanie wszystkich znanych producentów oprogramowania w branży budowlanej, w szczególności w zakresie analizy i projektowania konstrukcji. Jeśli uważnie prześledzić wydarzenia ostatnich lat, można zauważyć pewne trendy, a digitalBau było świetną okazją do ich wychwycenia.

Modelowanie BIM staje się coraz ważniejsze

Od ponad 20 lat inżynierowie budowlani analizują, w jaki sposób można wykorzystać możliwości komputerów do prześledzenia i zaplanowania całego cyklu życia obiektów budowlanych. Ale wydaje się, że póki co zajmuje się tym nie więcej niż kilku pionierów. Konstruktorzy coraz częściej uznają to zagadnienie za potencjalnie atrakcyjne i rozwój w tym kierunku traktują jako okazję do pozyskania nowych klientów, bardziej efektywnej pracy i zaprezentowania swojego biura inżynierskiego jako innowacyjnego oraz postępowego. Ten ostatni aspekt pozostaje nieoceniony, jeśli chodzi o zatrudnienie trudnych do pozyskania pracowników o specjalistycznej wiedzy inżynierskiej oraz zatrzymanie ich na dłużej.

Nowe wersje oprogramowania zawierają coraz więcej narzędzi do lepszej obróbki danych 3D i do komunikacji z innym programami. Wynika to z kilku poprzednich lat, kiedy to architekci coraz bardziej zaczęli doceniać zalety pełnych modeli cyfrowych (ang. digital twin). Pomagają one tworzyć atrakcyjne wizualizacje oraz umożliwiają szybkie i dość precyzyjne oszacowanie kosztów. Po utworzeniu odpowiednich modeli 3D, można je wykorzystać do innych zadań, takich jak analiza statyczno-wytrzymałościowa i projektowanie.

Rysunek 01 - Modelowanie budynku w różnych aplikacjach BIM i IFC Viewer oraz model obliczeniowy w RFEM (odkształcenia, poniżej)

Dlaczego zaczynać modelowanie od początku jeśli można importować modele z certyfikowanym interfejsem Open BIM? Takie było dotychczasowe podejście. Jednak obecnie jasne jest, że cyfrowy model obliczeniowy zasadniczo różni się od modelu 3D stworzonego przez architekta, nawet jeżeli na pierwszy rzut oka wygląda tak samo. Mimo że dane oparte są na wymiarach i danych geometrycznych modelu typu „digital twin”, niekoniecznie zawierają informacje o podporach, przegubach oraz obciążenia i kombinacje obciążeń, konieczne dla przeprowadzenia obliczeń. Ponadto model analityczny zawiera znaczne uproszczenia, bez których nie byłoby możliwe przeprowadzenie efektywnych obliczeń nawet przy obecnej mocy komputerów. Na przykład w modelu BIM wszystkie komponenty konstrukcyjne są opisywane jako bryły.

W modelach do analizy statycznej elementy bryłowe są jednak rzadko stosowane w obliczeniach. Zamiast tego słupy i belki są modelowane jako elementy skończone 1D, tzn. z węzłem początkowym i końcowym oraz linią pomiędzy tymi punktami. Sztywność elementu opisywana jest przez parametry przekroju oraz długość linii. Geometria bryły 3D ulega zatem znacznemu uproszczeniu do prostych modeli szkieletowych. To z kolei oznacza, że linie środkowe i powierzchnie słupów, belek, stropów lub ścian nie zawsze stykają się we wspólnym węźle lub linii, dzięki czemu można łatwo przejść do wspomnianego modelu szkieletowego. Zamiast tego często konieczne jest przesuwanie i ponowne definiowanie położenia linii konstrukcyjnych elementów, aby uzyskać spójny model analityczny umożliwiający tworzenie siatki MES.

Rysunek 02 - Różne warianty pochodnych modelu analitycznego dla stalowego połączenia śrubowego (czerwone linie i węzły) do obliczeń w programie ramowym

Ponieważ wymaga to wiedzy inżynierskiej, proces ten nie zawsze można w pełni zautomatyzować przez algorytmy oprogramowania. Nowoczesne oprogramowanie BIM informuje użytkownika o niekompatybilnościach, a oba modele - w tym analityczny model konstrukcyjny - są dostępne w podglądzie. Specjalne narzędzia wydłużają i skracają pręty lub wyszukują punkty w pobliżu i definiują je jako węzły konstrukcyjne. Jeżeli modele te zostaną w kolejnym kroku przeniesione do oprogramowania do analizy statyczno-wytrzymałościowej, wymagany jest wspólny format wymiany danych. Nie zawsze musi to być format IFC niezależny od producenta. Istnieje wiele innych formatów a także bezpośrednie połączenia między oprogramowaniem BIM i oprogramowaniem do analizy statyczno-wytrzymałościowej. W tym ostatnim przypadku dane przekazywane są bezpośrednio z jednego programu do drugiego bez konieczności tworzenia dodatkowego pliku.

Nowe cyfrowe rozwiązania do symulacji obciążenia wiatrem

Po transferze modelu do programu do analizy statyczno-wytrzymałościowej konieczne jest dodanie kolejnych elementów. Oprócz podpór, przegubów i innych parametrów mechanicznych niezbędnym krokiem jest przyłożenie obciążenia. W tradycyjnym podejściu przyjmuje się pewne uproszczenia dotyczące obciążeń i wprowadza je do modelu analitycznego jako obciążenia prętowe lub powierzchniowe. W przypadku budynków o regularnych kształtach, w normach dotyczących obciążeń znajdują się stosowne instrukcje dotyczące przyjmowania tych uproszczonych obciążeń. Zdefiniowanie obciążeń od ciężaru własnego, obciążeń użytkowych i obciążeń śniegiem zazwyczaj nie stwarza dodatkowych problemów. W przypadku obciążeń wiatrem sytuacja jest inna. Przepływy wiatru i turbulencje jakie wywołuje są regulowane tylko dla prostych brył. Nawet najbardziej powszechne elementy, takie jak lukarny, okapy, zadaszenia lub częściowo otwarte budynki, mogą prowadzić do sytuacji, w których nie będzie jasne, czy wystąpi parcie czy też ssanie wiatru oraz jak duże będą wartości tych obciążeń. Jednak możliwości jakie daje nowoczesne oprogramowanie często podsycają aspiracje do projektowania wyrafinowanych architektonicznie i ekstrawaganckich kształtów budynków. Nawet jeżeli można w tych przypadkach przyjąć uproszczone obciążenia, ich zdefiniowanie w modelu analitycznym jest często uciążliwe i pracochłonne. Podobnie jak w przypadku samej analizy konstrukcyjnej, możliwe jest zastosowanie metod opartych na MES do symulacji przepływu wiatru. Metody te są powszechnie stosowane na przykład w inżynierii mechanicznej do analizy przepływów.

Z tego względu symulacja obciążeń wiatrem na stoisku firmy Dlubal, była jednym z głównych tematów targów digitalBau w Kolonii. Odpowiedni program o nazwie RWIND Simulation można interpretować jako cyfrowy tunel aerodynamiczny. Zazwyczaj kosztowne i czasochłonne w odwzorowanie konstrukcji za pomocą replik w jednym z nielicznych tuneli aerodynamicznych w Niemczech, można teraz wykonać znacznie szybciej. Dostępne w przypadku stosowania modelowania BIM obiekty są importowane do oprogramowania i mogą być wyświetlane z dużą szczegółowością. Dodatkowo, w przypadku symulacji wiatru istotny jest wpływ topografii otoczenia i sąsiednich budynków. Również one mogą być zaimportowane do programu i odpowiednio usytuowane względem budynku. Stosowne normy określają podstawowe prędkości wiatru i turbulencje, które stanowią dane wejściowe przy symulacji. Mogą one być zdefiniowane w oprogramowaniu jako pionowy profil wiatru, w zależności od użytej norm. Na podstawie tych specyfikacji rozpoczyna się symulacja przepływu wiatru z różnych kierunków. W ten sposób uzyskujemy animowane wizualizacje przepływów i prędkości wiatru oraz wynikających z nich obciążenia ciśnieniem wiatru na powierzchnię konstrukcji. Dane te mogą być następnie wykorzystane jako obciążenie statyczne.

Rysunek 03 - Symulacja obciążenia wiatrem CIMU - ILE DE SEGUIN, Paryż, w cyfrowym tunelu aerodynamicznym w RWIND Simulation (© www.bouygues.com)

Cyfrowy tunel aerodynamiczny można wykorzystać jeszcze efektywniej w połączeniu z oprogramowaniem do analizy statyczno-wytrzymałościowej RFEM. Modele analityczne 3D można przenieść bezpośrednio do cyfrowego tunelu aerodynamicznego. Po zakończeniu symulacji obciążenia są automatycznie przenoszone jako przypadek obciążenia statycznego. Dzięki wykorzystaniu oprogramowania CFD, takiego jak RWIND Simulation, ta część analizy statyczno-wytrzymałościowej przebiega na zupełnie innym poziomie. Symulacje oparte na CFD umożliwiają określenie bardziej realistycznych, być może również bardziej ekonomicznych i bezpiecznych oddziaływań dla konstrukcji wsporczych. Zastosowanie modeli 3D w analizie statyczno-wytrzymałościowej i symulacji wiatru pozwala również zaoszczędzić czas podczas wprowadzania obciążeń wiatrem. Z drugiej strony pojawiają się też rozbieżności między obciążeniami wyznaczonymi w symulacjach cyfrowych a tymi opartymi na normach obciążeniowych. Rodzi to wątpliwości, zwłaszcza gdy poziom obciążenia z symulacji jest niższy niż w normie. W takim przypadku konieczne jest przeprowadzenie obliczeń sprawdzających i weryfikacja poprawności wyników numerycznych w stosunku do znanych z literatury i praktyki przykładów.

Jednakże testy w rzeczywistym tunelu aerodynamicznym również odwzorowują rzeczywistość tylko w przybliżeniu ze względu na skalę modeli inną niż 1:1, błędy pomiarowe oraz rozmieszczenia czujników. Ponadto nie jest możliwe odwzorowania sprężystości budynków za pomocą rzeczywistego testu w tunelu aerodynamicznym. Ogromny potencjał mają tu rozwiązania numeryczne. Ponadto, normy obciążeniowe stosują zwykle metody bardzo uproszczone, zazwyczaj uważane za bardzo konserwatywne. Obie metody określania obciążenia - test w rzeczywistym tunelu aerodynamicznym oraz metody uproszczone z norm obciążeniowych - stanowią zatem jedynie przybliżenia stanu rzeczywistego. Dlatego też obciążenia wyznaczane za pomocą CFD i RWIND stanowią co najmniej dobrą alternatywę dla tych metod i pomagają zrozumieć rzeczywiste warunki pracy konstrukcji. To dobry przykład tego, w jaki sposób branża budowlana może skorzystać z cyfryzacji, BIM oraz innowacyjnych i nowych produktów. Oprócz modelu architektury i analitycznego wymagany jest także cyfrowy model przepływu wiatru. Należy mieć nadzieję, że warunki prawne i metody kontroli analizy statyczno-wytrzymałościowej zostaną dostosowane do nowych możliwości i przyczynią się do rozwoju technicznego w tej dziedzinie.

Rysunek 04 - Rozkład ciśnienia w budynku mieszkalnym z garażem w cyfrowym tunelu aerodynamicznym firmy RWIND Simulation

Usługi online w chmurze

Innym często poruszanym tematem jest wykorzystanie usług online „w chmurze” w analizie konstrukcji. Nie chodzi tu jednak tylko o przechowywanie danych na serwerach, ale także o udostępniane informacji w Internecie oraz ich automatyczne wykorzystanie. W odniesieniu do analizy statyczno-wytrzymałościowej istnieje już wiele przykładów obliczeń, które można przeprowadzać w online. Przykładem tego, w jaki sposób planowanie konstrukcyjne może skorzystać z usług chmurowych, jest narzędzie do geolokalizacji firmy Dlubal Software. Usługa ta umożliwia pomiar obciążenia wiatrem, śniegiem, trzęsieniem ziemi i tornadem w wielu krajach na całym świecie. W planach jest również poszerzenie funkcjonalności o oddziaływania wywołane tsunami, temperaturą, deszczem oraz oblodzeniem. Mapy obciążenia są oparte na mapach cyfrowych z usług internetowych takich jak Google Maps lub OpenStreetMap. Dla każdego kraju dostępne są odpowiednie normy. Użytkownik ma bezpłatny dostęp do ograniczonej liczby zapytań za stronie. Następnie można zalogować się, otwierając dostęp do wszystkich kart obciążeniowych. Za pośrednictwem interfejsu (usługi sieciowe) zewnętrzne strony mogą również automatycznie wyszukiwać wartości obciążenia dla dowolnej lokalizacji. W ten sposób można zintegrować usługę z innymi aplikacjami.

Rysunek 05 - Usługa online Dlubal do definiowania obciążeń wiatrem na podstawie chmurowych usług mapowych

Ponadto można korzystać z tabel przekrojów online. Do tej pory konieczna była regularna aktualizacja dokumentów lub tabel w postaci drukowanej. W narzędziu online dostępne są nie tylko przekroje standardowe, ale także parametryczne kształty przekrojów, które można dowolnie wprowadzać za pomocą wymiarów. Dzięki temu serwis online może zaoferować znacznie więcej niż tylko niezmienną książkę w formie drukowanej.

Rysunek 06 - Usługa online firmy Dlubal z obszernymi bibliotekami przekrojów i określaniem wartości przekrojów do analizy statyczno-wytrzymałościowej

Programy MES oraz przeprowadzane za ich pomocą obliczenia stają się coraz bardziej złożone a w konsekwencji w niektórych przypadkach niezbędny jest intensywny kontakt konstruktora z producentem oprogramowania. Pojawia się zatem tendencja do nieplanowanych szkoleń online oraz indywidualnego wsparcia technicznego. Można oczywiście skontaktować się bezpośrednio z personelem wsparcia technicznego, przynajmniej w przypadku pierwszych prostych pytań. Obecnie jednak wykracza to znacznie poza zwykłe wysyłanie e-maili, w których można opisać problem - kontakt z wsparciem technicznym może też odbywać się za pomocą funkcji komentowania w mediach społecznościowych, takich jak Facebook czy Instagram. Niektórzy producenci oferują również funkcje czatu na stronach internetowych, które za pomocą algorytmów sztucznej inteligencji automatycznie wyszukują możliwe odpowiedzi na pytania. Osoby, które wcześniej musiały rezerwować szkolenie z kilkudniowym wyprzedzeniem mogą teraz korzystać z funkcję „Self Training” na kanale Youtube w postaci nagranego wcześniej webinarium lub wydarzenia dla klienta.

Rysunek 07 - Kanał YouTube firmy Dlubal ze szczegółowymi webinariami technicznymi na różne tematy konstrukcyjne

Strony te, na przykład firmy Dlubal Software, zostały przekształcone w obszerny portal wiedzy o analizie statyczno-wytrzymałościowej. Oprócz tradycyjnego forum, istnieje wiele pozycji tzw, „najczęściej zadawanych pytań” (FAQ), które pomagają w rozwiązywaniu problemów użytkownika poza godzinami pracy personelu wsparcia technicznego. Wiedzę techniczną na wybrane tematy zapewniają też fachowe artykuły techniczne. Wszystkie te materiały są bezpłatne i można ją znaleźć w Internecie poprzez wyszukiwanie tekstowe oraz za pomocą słów kluczowych.

Rysunek 08

Autor

Dipl.-Ing. (FH) Walter Rustler, M.Eng.

Dipl.-Ing. (FH) Walter Rustler, M.Eng.

Dyrektor sprzedaży i obsługa klienta

Pan Rustler jest przedstawicielem Dlubal Software GmbH oraz dyrektorem sprzedaży i marketingu. Ponadto, uczestniczy w rozwoju produktu.

Słowa kluczowe

BIM Modelowanie informacji o budynku RWIND Obciążenie wiatrem Symulacja obciążenia wiatrem CFD Biuro inżynierskie

Linki

Skomentuj...

Skomentuj...

  • Odwiedziny 2193x
  • Zaktualizowane 9. listopada 2021

Kontakt

Skontaktuj się z firmą Dlubal

Mają Państwo pytania lub potrzebują porady?
Zapraszamy do bezpłatnego kontaktu z nami drogą mailową, poprzez czat lub forum lub odwiedzenia naszej strony z FAQ z użytecznymi wskazówkami i rozwiązaniami.

+48 (32) 782 46 26

+48 730 358 225

info@dlubal.pl

RFEM 5
RFEM

Program główny

Oprogramowanie do obliczeń płaskich i przestrzennych układów konstrukcyjnych, obejmujących płyty, ściany, powłoki, pręty (belki), bryły i elementy kontaktowe, z wykorzystaniem Metody Elementów Skończonych (MES)

Cena pierwszej licencji
3 540,00 USD