Koncepcja statyczna i stabilność
Na początku projektu budowlanego przeprowadza się szeroko zakrojone rozważania na temat funkcjonowania konstrukcji nośnej. Pojawiają się pytania dotyczące maksymalnych możliwych odległości dla podpór i dźwigarów, umiejscowienia więźb dachowych i ściennych, realizacji fundamentów. Należy zaprojektować nośną strukturę budynku.
Nawet w przypadku pozornie prostych budynków mogą pojawić się pytania dotyczące możliwego zrezygnowania z elementów usztywniających lub ich optymalnego rozmieszczenia. Praca w zakresie planu, widoku i przekroju nie ułatwia zrozumienia sposobu przenoszenia obciążeń i dróg obciążeń. Ostatecznie na podstawie modelu 3D można lepiej wyobrazić sobie, gdzie przebiegają siły i jak są przenoszone na fundamenty. Zrozumienie funkcji konstrukcji nośnej jest zatem podstawą ekonomicznego planowania całej konstrukcji. Rozpoznanie deficytów stabilności ma ponadto znaczenie dla bezpieczeństwa.
W uproszczonym, płaskim modelu 2D zasadniczo wyklucza się problemy stabilności, takie jak wyboczenie poza płaszczyznę czy zwykłe przewrócenie. Takie problemy nie pojawiają się w obliczeniach i mogą zostać przeoczone. Jednakże w przypadku obliczeń trójwymiarowych projektant konstrukcji jest zmuszony do uwzględnienia mechanizmów awarii przestrzennej. Błędy w koncepcji konstrukcji nośnej pojawiają się w większości przypadków podczas obliczeń.
W modelu 3D można zatem lepiej ocenić globalne awarie stabilności w całym modelu.
Building Information Modeling dostarcza modele 3D
Stosowanie nowoczesnych metod planowania, takich jak Building Information Modeling, opiera się na modelach 3D. Są one również podstawą projektowania konstrukcji nośnych i mogą dostarczać dobrze zoptymalizowane modele wejściowe do obliczeń. Model 3D dla statyki jest w idealnym przypadku już dostarczony, co pozwala zaoszczędzić czas.
W wielu przypadkach wstępnych szacunków lub prostych ocenach statycznych w celu znalezienia odpowiedniej konstrukcji nośnej może to być bardzo szybka i pomocna droga. Inny trend idzie w kierunku całkowicie parametrycznego projektowania, w którym statyka jest połączona z oprogramowaniem architektonicznym. Poprzez celowe zmiany parametrów można przetestować i automatycznie obliczyć wiele wariantów.
2D niewystarczające dla wszystkich konstrukcji nośnych i typów budynków
Jeśli budynku nie można łatwo podzielić na podstruktury, w których przenoszenie obciążeń jest jasne, często nie ma innej drogi niż użycie modelu 3D. Nie każdy budynek podąża za regularną siatką. To komplikuje i utrudnia kontrolowanie przenoszenia obciążenia. W przypadku niepewności pracuje się z maksymalnymi założeniami obciążenia, aby być po bezpiecznej stronie. To jednak prowadzi do nieekonomicznych wyników.
Symulacja wpływów w całym modelu często bardziej przejrzysta i łatwiejsza
Programy obliczeniowe 3D mogą automatycznie generować obciążenia dla wpływów takich jak ciężar własny, wiatr czy śnieg dla standardowych form budynków. Wymaga to, aby wymiary budynku były znane. Wykorzystując model całkowity, te wymiary można łatwo wyprowadzić z modelu. Profile obciążeń wiatrem i śniegiem mogą być automatycznie przyłożone do konstrukcji nośnej. Przy zmianie geometrii, obciążenia zmieniają się automatycznie. Symulacje w cyfrowym tunelu aerodynamicznym stają się możliwe dopiero z modelami 3D.
Analizy dynamiczne w przypadku modeli 2D często niewystarczające
Podczas obliczeń trzęsień ziemi lub innych analiz dynamicznych pojawiają się formy własne przestrzenne, które należy uwzględnić.
Również pobudzenia sejsmiczne w kierunku x i y muszą być odpowiednio nakładane. Istotne są przypadkowe obciążenia skrętne. Dlatego wykorzystanie modeli 3D jest nieuniknione w prostych przypadkach.
Elastyczność przy zmianach
Cykl planowania charakteryzuje się zmianami. Dla procesu budowy ważne jest, aby zawsze mieć jasność, co jest statycznie możliwe i jakie zmiany należy wprowadzić. W tradycyjnej statyce pozycji może to oznaczać, że wszystkie założenia dotyczące obciążenia muszą zostać ponownie przemyślane.
W kompletnym modelu statycznym 3D zmieniające się siły są automatycznie przenoszone w systemie i przekazywane z elementu do elementu. Po przeprowadzeniu nowych obliczeń wszystkie potwierdzenia są aktualizowane. Początkowo wyższy nakład pracy na wprowadzenie danych zazwyczaj się opłaca.
Problematyczne warunki podparcia przy tworzeniu podmodeli
Przy wyjmowaniu podmodeli z modelu całkowitego, miejsca połączenia podmodelu muszą być wyposażone w określenie podpory. Ponieważ w większości przypadków nie zna się sztywności w tych miejscach połączeń lub trudno je określić, stosuje się uproszczone przegubowe lub sztywne podpory. Te założenia są tylko częściowo prawidłowe i prowadzą do innych wyników w porównaniu do modeli, które pobierają sztywności w tych punktach z modelu całkowitego.
Statyka szczegółowa sensowna tylko jako model 3D
Zastosowanie modeli skorupowych 3D, na przykład przy projektowaniu połączeń stalowych, jest standardem technicznym. Bez rozwiązania 3D takie analizy nie byłyby możliwe. W tych przypadkach stosowanie modeli 3D nie podlega wątpliwości, ale jest wymagane. W związku z tym nie jest jasne, dlaczego obliczenia 3D nie miałyby być stosowane przy obliczaniu całych budynków.
Efekty uboczne świata 3D
Model obliczeniowy 3D w wielu przypadkach przedstawia wynik w sposób znacznie bardziej zrozumiały niż szereg mniejszych podmodeli. Zachowanie konstrukcji można na przykład lepiej zrozumieć za pomocą zwizualizowanych prezentacji deformacji, naprężeń i sił.
Te modele również robią profesjonalne wrażenie na uczestnikach i tym samym przyczyniają się do dobrego renomy projektanta konstrukcji. Modele te mogą być bezpośrednio używane do pierwszych oszacowań mas i kosztów. Dzięki wspomnianej elastyczności można optymalizować kształt, funkcję i wagę.
Podsumowanie
Wiele powodów przemawia za stosowaniem modeli 3D również w statyce. 2D i 3D się nie konkurują, ale się uzupełniają. Oczywiście są również proste przypadki, w których model 3D nie przynosi żadnych korzyści i generuje poprawne wyniki. W obu przypadkach ostatecznie inżynier decyduje, która forma modelowania zostanie wybrana.
