BIM pro návrh a posouzení detailů konstrukcí

Návrh a posouzení detailů konstrukcí vyžaduje koordinaci tří hlavních disciplín. Globální statiky, návrhu přípojů a tvorby dílenské dokumentace. Přestože se ve všech těchto disciplínách už běžně pracuje se 3D modely bohatými na data, jejich přenos stále často probíhá prostřednictvím 2D schémat, excelových tabulek a e-mailové komunikace. Objem dat, která by bylo v ideálním případě vhodné bez ochuzení předat, je značný: geometrie konstrukce, průřezy, materiály, vnitřní síly pro desítky až tisíce kombinací zatížení, požadavky na tuhost přípojů. V článku chceme nastínit kritická místa současného procesu a naznačit, kudy může vést cesta k jejich odstranění.

SESKUPOVÁNÍ STYČNÍKŮ A STANOVENÍ NÁVRHOVÝCH SIL

Po provedení globální statické analýzy a před samotným návrhem přípojů musí proběhnout rozdělení styčníků do skupin. Řeší se otázka, které jsou dostatečně podobné, aby sdílely společný návrh. Kritériem není jen geometrická podobnost, záleží na kombinacích vnitřních sil v daných uzlech i na požadavcích dodavatele ocelové konstrukce na opakovatelnost. Zjednodušeně řečeno, méně skupin vede k jednodušší výrobě a montáži na úkor optimalizace využití. Míra seskupování je předmětem dohody, která by měla proběhnout na začátku projektu, v praxi však často probíhá iterativně a je to jedna z disciplín, kde se správná rozhodnutí vyplácejí násobně (a platí to i naopak).

Pro každou skupinu je následně nutné z globálního FEA modelu extrahovat rozhodující návrhové síly. U konstrukcí s desítkami zatěžovacích stavů a stovkami až tisíci lineárních kombinací jde o systematickou práci, která se opakuje při každé revizi modelu. V tomto kroku často dojde k prvnímu ochuzení dat, protože pokud má být výstup interpretovatelný člověkem, nepřichází v úvahu sdílet stovky sad výsledků pro každý uzel na konstrukci. Od nejbohatšího k nejchudšímu výstupu se tak setkáváme s extrémy šesti jednotlivých složek vnitřních sil s odpovídajícími ostatními složkami, s obálkovými kombinacemi, případně s maximy pro daný styčník v absolutní hodnotě.

PROBLÉM OBÁLKOVÝCH SIL

Klíčový technický problém nastává při interpretaci předaných sil. Pokud globální statik například předává obálkové extrémy normálové síly, smykové síly a ohybového momentu pro daný prut ve styčníku, návrhář přípojů z nich nedokáže zjistit, které složky působí současně. A to jak na úrovni jednoho prutu, tak společného působení extrémů ve více prutech naráz.

Na úrovni jednoho prutu např. zadání normálová síla = ±130 kN, smyková síla = ±150 kN, ohybový moment = ±50 kNm neříká, zda maximální záporný smyk nastává současně s maximálním záporným momentem, nebo zda se tyto extrémy vyskytují v odlišných kombinacích, nebo dokonce na různých styčnících ve skupině. Návrhář se musí doptat, což zatěžuje i statika, anebo styčník předimenzovat na kombinaci, která v reálu nemusí nastat. Plýtvání časem, materiálem, případně obojím. U některých konfigurací přitom návrh na všechny extrémy současně není vůbec proveditelný.

Na úrovni více prutů v jednom styčníku je problém analogický. Sbíhá-li se např. do uzlu více prutů ztužidel, z obálkových sil na jednotlivých prutech nevyplývá, zda při maximálním tahu v jednom je v ostatních maximální tlak. Opět musí následovat doptání na uvažované statické schéma a mechanismus přenosu sil.

Řešením je přenos skutečných kombinací zatížení – šest složek vnitřních sil na každém prutu v každé kombinaci. Při tisících kombinací jde o velký objem dat, ale právě tento objem zachovává fyzikálně smysluplné vztahy mezi složkami sil. Kritické účinky pro danou skupinu styčníků se nabízí stanovit strojově a kromě maxim jednotlivých složek sil na jednotlivých prutech zohlednit i účinky vyvozující na průřezech maximální napětí, případně výslednice sil přenášených celým uzlem. V praxi se tak pro každou skupinu styčníků dají stanovit nižší desítky rozhodujících zatěžovacích účinků, nehledě na celkový počet kombinací v projektu.

MANUÁLNÍ PŘENOS DAT A FRAGMENTACE TRHU

Statik musí informace z FEA modelu ručně přeformátovat, připravit půdorysy se skupinami styčníků, tabulky se silami, průřezy, materiály. Návrhář přípojů je následně přepisuje do svého nástroje. Každý ruční přepis je zdrojem chyb a efektivní hromadné zpracování při tomto postupu není možné. Přímé sdílení FEA modelu by manuální přenos eliminovalo, ale naráží na dva problémy.

Za prvé, analytický model obsahuje kromě výsledků i další modelovací předpoklady jako způsob zadání tuhostí styčníků, definice podpor, filozofie tvorby kombinací. Statik často nechce zpřístupnit celé své know-how ke kontrole bez kontextu. Za druhé, fragmentace trhu situaci zhoršuje a analytické modely vznikají v desítkách FEA programů (SCIA Engineer, SAP2000, RFEM, Robot, SOFiSTiK, ETABS a další), dílenská dokumentace v odlišných CAD nástrojích (Tekla Structures, Advance Steel, SDS2). Druhá strana často nemá přístup k licenci příslušného FEA softwaru.

Řešení spočívá v selektivním sdílení: geometrie, průřezy, materiály, vybrané výsledky a uvažované tuhosti, čili data potřebná pro návrh přípojů, bez kompletního pozadí. Technologickým základem jsou otevřené formáty IFC a SAF. Alternativní cestu nabízí nástroje jako IDEA StatiCa Checkbot, který umožňuje z FEA i CAD aplikací přebírat cílený výběr dat bez nutnosti sdílet celý analytický model a převádí jednotlivá API do neutrálního datového modelu.

ZMĚNY A REVIZE

Všechny popsané problémy se násobí při revizích a revize jsou při projektování ocelových konstrukcí pravidlem. Změna rozpětí, optimalizace průřezů nebo jiný typ přípoje spouští kaskádu aktualizace FEA modelu, přepočtu sil, exportu dat, revize návrhu styčníků, v extrémním případě úpravy dílenské dokumentace.

Bez strojového propojení závisí konzistence na ruční kontrole. Otázky, zda průřezy ve FEA odpovídají CAD modelu, zda tuhosti v globální analýze odpovídají navrženým přípojům a zda jsou styčníky posouzeny na aktuální verzi sil, vyžadují systematický přístup. S rostoucím počtem revizí roste pravděpodobnost, že některá z těchto konzistencí nebude zachována.

Řešení vyžaduje strojově čitelné propojení mezi analytickými a konstrukčními entitami a s mechanismem identifikace ovlivněných styčníků při změně v globálním modelu.

MAPOVÁNÍ A KOORDINACE MODELŮ

Jak by takové propojení mohlo vypadat v praxi? Architektura našeho řešení je založena na konceptu model koordinátoru, tj. mezivrstvy, která je schopná číst a držet jak analytická FEA data, tak výrobní CAD data. Z FEA modelu přebírá průřezy, materiály a výsledky včetně kompletních výsledků. Z CAD modelu přebírá reálnou geometrii prvků včetně excentricit, náběhů a detailů spojovacích prostředků. Obě sady dat propojuje prostřednictvím ID mapy sobě odpovídajících objektů. Toto mapování není plně automatické a spoléhá na uživatelský vstup v případě, kdy prvky neexistují „1 : 1“ a několika prutům ve FEA modelu (rozdělených mezi jednotlivými uzly) odpovídá ve výrobním modelu pouze jeden fyzický prvek (ten může být naopak rozdělen montážním stykem v místě mimo analytické uzly).

Mapování slouží jako základ pro sestavení modelů v posudkových aplikacích, tj. nástrojů pro návrh a posouzení styčníků, kotvení a dalších detailů, které tak pracují se strojově konzistentními vstupy namísto ručně přepisovaných tabulek. Posudek detailu totiž z logiky věci vychází z obou zdrojů, síly ze zjednodušeného analytického modelu aplikuje na skutečné konstrukční řešení.

Zároveň je mapování základem koordinace změn: při aktualizaci FEA modelu koordinátor identifikuje ovlivněné styčníky a signalizuje potřebu revize, stejně tak zpětně ověřuje, zda CAD model odpovídá předpokladům globální analýzy.

ZÁVĚR

Popsané překážky, jako jsou nejednoznačnost obálkových sil, manuální přenos dat, neochota sdílet analytické modely, fragmentace softwarového trhu a obtížná koordinace změn, nejsou nové. Mnozí statici je z naší zkušenosti přijali jako nevyhnutelnou součást práce. Otevřené formáty jako IFC a SAF řeší část problému, ale nepokrývají jej celý, a to zejména přenos fyzikálně smysluplných kombinací sil a systematickou koordinaci změn mezi analytickým a konstrukčním modelem.

Plně automatický přenos a mapování „na stisk tlačítka“ přitom není realistickým cílem. FEA model je záměrně zjednodušený, CAD model zachycuje skutečnou geometrii včetně excentricit a náběhů; mapování mezi nimi vždy vyžaduje inženýrský úsudek. Cílem je zbavit statika a návrháře přípojů rutinní práce, jako například ručního přepisování, opakovaných dotazů na obálkové síly, stanovení rozhodujících zatížení, manuální kontroly konzistence mezi modely, aby se mohli soustředit na to, v čem jsou nenahraditelní; samotné inženýrské rozhodování.

V IDEA StatiCa na tomto problému aktivně pracujeme. Aplikace Checkbot s napojením na více než 40 FEA a CAD aplikací je základem, na kterém stavíme, a směr dalšího vývoje určují právě překážky popsané v tomto článku.