Konstrukce k vysoké peci ocelárny ISDEMIR

V projekční praxi se slovo výzva obvykle pojí s pojmy, jako jsou rozsáhlé konstrukce, šibeniční termíny nebo využití netradičních nástrojů a přístupů. Takovou výzvou byl i projekt konstrukcí k vysoké peci ocelárny ISDEMIR v Turecku, kde tým statiků, projektantů a konstruktérů skupiny ALLCONS navrhoval ocelovou konstrukci kolem vysoké pece. Vzhledem k základním datům projektovaných konstrukcí (hmotnost 7 500 tun, obrys konstrukcí 90 × 90 × 92 metrů, místo stavby pobřeží Turecka) a požadovanému termínu pouhého půl roku pro realizaci projektové dokumentace bylo nutné přistoupit k paralelizaci procesů. Tím je myšlena současná práce na pěti separátních hlavních statických modelech, které bylo nutné několikrát spojovat do globálního modelu pro získávání výsledků chování celé konstrukce a validaci výstupů v průběhu zakázky. Již během prací na statickém výpočtu se musely dílčí výsledky nebo změny v konstrukci bez chyb přenést od statika ke konstruktérovi. K tomu sloužily námi nově vyvinuté pomůcky založené na jednoznačném identifikátoru entit pro převod mezi výpočetními a konstrukčními modely včetně změn a revizí.

PROJEKT A HLAVNÍ MODELY

Na východním pobřeží Středozemního moře v zátoce Iskenderun se nachází areál ocelárny ISDEMIR. Jeho součástí byla i vysloužilá vysoká pec, kterou se rozhodl investor nahradit novou včetně přiléhajícího systému ocelových konstrukcí kolem této pece. Tvorbou projektu těchto ocelových konstrukcí, souhrnně zobrazených na konstrukčním modelu níže, byla pověřena skupina ALLCONS.

Ještě před počátkem prací bylo jasné, že vzhledem k okrajovým podmínkám projektu nebude možné pracovat pouze s jedním celkovým statickým modelem. Typologie konstrukce, počet podkladů, specifikace zatížení spolu s časovým omezením narážely na limity nejen lidských zdrojů, ale i výpočetní techniky. Proto byla konstrukce rozdělena na pět celků – hlavních modelů.

Kromě pěti hlavních modelů analýza vyžadovala i lokální statické modely. Ty byly vhodné zejména pro redukci počtu zatěžovacích stavů a tím i výpočetního času. Mezi tyto modely patří například lokální modely paždíků, posuvných dveří nebo jeřábových drah. Samostatný lokální model pak představovala i licí plošina pro analýzu pohyblivého zatížení. Výsledky z lokálních modelů byly zahrnuty do analýzy modelů hlavních formou kritického zatížení pro návrh daného prvku. To vše přispívalo k systematizaci a větší efektivitě práce.

SYSTEMATIZACE PRÁCE

Primárním úkolem po rozdělení modelů bylo určit způsob práce se zatížením. To je důležité jednak pro funkční korektní přenos dat u přípojných bodů, ale také proto, aby bylo možné hlavní modely složit do globálního modelu a na něm spustit časově méně náročnou analýzu. Zatížení se rozdělilo dle typu do devíti oblastí – stálé, užitné, vítr, sníh, seismicita, teplota, mimořádná teplota a ostatní. V rámci těchto oblastí jsou jednak společné zatěžovací stavy pro všechny hlavní modely. Dále ale i několik samostatných zatěžovacích stavů (zejména technologických), které nemohly být ve společných zatěžovacích stavech vzhledem k uvažovaným kombinacím. I když touto systematizací došlo k výrazné redukci, stále se v globálu jedná o celkem 84 zatěžovacích stavů v 11 kombinacích zatížení (2 na mezní stav únosnosti, 1 na mezní stav použitelnosti, 1 mimořádná, 3 seismické a 4 speciální seismické).

Konstrukce byla rozdělena na pět celků, hlavních modelů, podle těchto kritérií:
funkční celky ocelárny, minimalizace přípojných (společných) bodů modelů, složitost konstrukce, počet podkladů a vstupních údajů, nesené versus nesoucí (podpírající) části.
	Cast Floor
Cast House	Extension Structure
Lower+Middle Tower	Upper Tower

I další entity modelů jako průřezy, prvky, uzly a nastavení vzpěru vyžadovaly systematizaci a její důsledné dodržování. Jinak by při spojování došlo k přejmenování entit, nebo dokonce ke změně nastavení vzpěru. Tím by vznikla těžko odhalitelná chyba výpočtu a zároveň by bylo zdlouhavé a velmi obtížné implementovat výsledky z globálního modelu zase zpět do modelů hlavních. Nejjednodušší bylo přidat entitám do názvu předponu dle příslušného hlavního modelu. Výjimku tvořila propojovací místa, se kterými se muselo zacházet individuálně.

GLOBÁLNÍ VÝPOČTOVÝ MODEL

Hlavní modely byly složeny do modelu globálního, zejména pro korektní stanovení účinků seismických zatížení a aplikaci reálných tuhostí konstrukce. Pro modální analýzu byl použit takzvaný redukovaný výpočtový model IRS (Improved Reduced System). Při tomto postupu se eliminují lokální vlastní tvary (pro globální model nezajímavé), lépe konverguje modální analýza hmot a výrazně se snižuje potřebný čas výpočtu. Výsledky se zpětně extrapolují přes plnou konstrukci. Nutností je rozdělit si konstrukci na významná patra. Pod pojmem významný se zde rozumí reálná patra konstrukce a místa s koncentrací větších hmot, nejčastěji generovaných ze zatížení. Aby se i tak dosáhlo dle norem dostačujícího procenta kmitajících hmot, vyžadoval výpočet zohlednit okolo 250 vlastních tvarů.

Cesta k funkčnímu globálnímu modelu byla komplikovaná. Osvědčilo se využít testovacích zatěžovacích stavů, konkrétně automaticky generované vlastní tíhy ve třech hlavních směrech souřadného systému. Výhodu představuje krátký čas výpočtu, rychlé nalezení případných singularit a kontrola chování celé konstrukce s ohledem na tuhosti a deformace.

STATICKÝ MODEL VERSUS MODEL PRO VÝKRESOVOU DOKUMENTACI

Splnění zejména časového limitu pro takto rozsáhlý projekt vyžadovalo vytvářet konstrukční modely pro výkresovou dokumentaci již v průběhu statické analýzy. V závislosti na typu hlavního modelu bylo provedeno celkem 10 až 20 iterací, tedy předání změn včetně nových prvků ze statické analýzy do konstrukčních modelů.

V poslední době je pro komunikaci a výměnu dat stále více rozšířený formát IFC. Nicméně i při použití IFC formátů dochází k chybám, mezi které řadíme stupeň přesnosti geometrických dat, absence profilů nebo různorodost popisů. Tyto nedostatky nevyplývají přímo z použitého formátu, nýbrž z jeho implementace v rámci jednotlivých softwarů a zručnosti uživatelů. Čím robustnější je projekt, tím těžší je podobné chyby v projektu odhalit. V rámci skupiny ALLCONS byly vyvinuty pomůcky, které pomáhají řešit uvedené problémy. V současnosti jsou pomůcky nastaveny na komunikaci mezi programy SCIA Engineer a TEKLA Structures. Vzhledem k filozofii procesu založeném na jednoznačné identifikaci každé entity je ale obecně možné použitelnost pomůcek rozšířit i na jiné softwary.

V levé části grafiky jsou schematicky znázorněny dva procesy: pro tvorbu projekční dokumentace BE (Basic Enginnering) a dále pro navazující výrobní dokumentaci DE (Detail Engineering). Pro potřeby projektu ISDEMIR je postačující proces pro projekční dokumentaci. V pravé části je pak pracovní postup pro změny a revize modelů, kdy se porovnávají dvě verze modelů k jednoznačné identifikaci odchylek.

Prvotní model v programu TEKLA Structures může být tvořen paralelně nebo pomocí exportu/importu z prvního SCIA modelu. Exportem ze statického modelu pro TEKLU, druhý řádek diagramu, se rozumí vytažení pouze nezbytných dat ze statického modelu ve výměnném XML formátu včetně jednoznačného identifikátoru každé potřebné entity. Tento proces zajišťuje skupinou ALLCONS interně vyvinutý program. Import statického modelu do TEKLY znamená vynesení konstrukce geometricky ze statického modelu za použití jen jednoho jakéhokoli průřezu. V tomto okamžiku máme tedy přes sebe dva modely. První je původně vytažený TEKLA model s geometrií a zarovnáním dle konstrukčních požadavků. Druhým je pak importovaný model ze SCIA Engineer, který si s sebou ve vlastnostech nese veškeré potřebné informace ze statické analýzy. Konstruktér pak jen zkopíruje tyto vlastnosti z importovaného modelu na prvky původního TEKLA modelu. Stále tedy zůstává odpovědnost a přehled nad projektem na konstruktérovi, ale jeho práce je efektivnější.

Prvky si ve svých vlastnostech drží také jednoznačný identifikátor ze statického softwaru. To umožňuje práci se změnami a revizemi. Při dalších iteracích (změnách a revizích ve statickém programu) se nejprve porovnají dva statické modely. Jakékoli změny (nový prvek, odstraněný prvek, posunutý původní prvek, změna geometrie prvku, průřezu nebo materiálu) lze pak jednoduše přes spárování identifikátorů promítnout do modelu konstrukčního. Zároveň je možné přehled změn vypsat jako textový nebo tabulkový soubor pro účely případné kontroly nebo archivace. Ostatní prvky konstrukčního modelu, jako jsou zábradlí nebo pochozí plochy, se už modelují standardní cestou. Finálním výstupem byly vyžadovány v dnešní digitální době stále 2D výkresy.

Příklad tvorby konstrukčního modelu v TEKLA Structures na základě statického modelu:
1. Vynesený prvotní model v TEKLA prostředí,	2. prvotní model a importovaný model s vlastnostmi ze statického programu
3. přenesení vlastností z importovaného modelu na model prvotní.

ZÁVĚR

Projektová dokumentace konstrukcí k vysoké peci ocelárny ISDEMIR byla realizována skupinou ALLCONS na přelomu let 2019 a 2020. Při podobných rozsáhlých projektech se stává, že zejména z finančních důvodů se realizace projektu minimálně odloží. I když se nacházíme v ekonomicky turbulentní době, kdy se výroba oceli stává velmi nákladnou záležitostí, projekt dál pokračuje. Výstupy a výsledky statického posouzení byly podrobeny přepočtům ze strany tureckých kolegů bez jakýchkoli výhrad, pouze se žádostí o dílčí doplnění. Na projekční dokumentaci navazovala dílenská dokumentace, jejíž tvorbu si zajišťovala turecká strana sama. Nyní jsme již ve fázi výstavby, kdy kolem pece roste naše modře natřená konstrukce.

V poslední době rezonuje nejen odbornou společností pojem BIM. Dnes bychom u podobně rozsáhlého projektu zajisté více využili procesů skrývajících se pod touto zkratkou i v návaznosti na interně vyvíjené pomůcky. Nicméně základním předpokladem pro úspěch je týmová práce, na které si zakládáme. Tímto článkem vzdáváme hold všem kolegům podílejícím se na projektu ISDEMIR za jejich přístup, nápady, inspirativní prostředí, ale i vzájemné pochopení a týmového ducha.