Softvér pre navrhovanie oceľových konštrukcií

Práca projektanta oceľových konštrukcií je v súčasnosti už prakticky nepredstaviteľná bez použitia výpočtovej techniky. Statické programy, ktoré sú na našom trhu projektantom k dispozícii, umožňujú rýchlu a interaktívnu prácu pri navrhovaní aj veľmi zložitých priestorových oceľových konštrukcií. Projektant-statik musí v rámci svojho zadania spolupracovať aj s ďalšími špecialistami, od ktorých preberá časť ich výstupov alebo im poskytuje svoje výsledky. Článok uvádza príklady spolupráce statika oceľových konštrukcií a technológa pri tvorbe náročných technologických projektov.

Statické výpočty

Vstupné údaje pre statika

Zadaním pre statika oceľovej konštrukcie býva v prípade technologických projektov tzv. layout, t. j. dispozičné usporiadanie strojnotechnologického zariadenia, ktoré pripravuje špecialista – technológ. V lay­oute je v prvej fáze zadania opísaná iba približná veľkosť strojov i zariadení. Špecifikované je zaťaženie, ktoré vyvodzujú. To býva opísané vlastnou váhou stroja, váhou prípadnej náplne alebo prevádzkovým zaťažením. Špecifikuje sa aj prípadné dynamické zaťaženie vyvolané prevádzkou. Ak nejde o zariadenie spôsobujúce vynútené kmitanie konštrukcií, technológ udáva zväčša iba dynamický súčiniteľ, ktorým sa zvyšuje statické zaťaženie od prevádzky stroja.

Podľa náročnosti oceľovej konštrukcie na ďalšie prevádzkovo-dispozičné väzby môže, ale aj nemusí byť v počiatočnej fáze projektu zadanie a stavebno-architektonické riešenie. V prípade objektov, ktoré sú zo stavebného hľadiska pomerne jednoduché, oceľovú konštrukciu modeluje priamo statik. Tam, kde sa k utilitárnemu technologickému riešeniu pripájajú aj ďalšie požiadavky na konštrukciu, spracuje hrubé rozvrhnutie stavebný inžinier. Ten potom odovzdá statikovi stavebno-dispozičné riešenie vrátane požiadaviek na zaťaženie napr. skladbami podláh, hmotnosťou stavebných konštrukcií (priečok, podhľadov, obvodového plášťa), požiadaviek na požiarnu odolnosť oceľovej konštrukcie, na náhodné úžitkové zaťaženia vodorovných konštrukcií s ohľadom na prevádzku v objekte.

Na základe uvedených vstupov vytvorí statik výpočtový model nosnej konštrukcie, vykoná dimenzovanie jednotlivých prvkov a odovzdá to stavebnému inžinierovi na zapracovanie do stavebných výkresov, prípadne technológovi na ďalšie spresnenie kolízií medzi nosnou a technologickou konštrukciou, kotvenia aparátov a pod.

Tvorba výpočtového modelu, ­výstupy

Väčšina programov používaných oceliarmi umožňuje rýchle grafické zadávanie konštrukcie.

Na príklade softvéru ESA PT je opísaný postup vytvorenia modelu konštrukcie vrátane posúdenia. Geometria základných tvarov konštrukcií, napr. rámov, priehradovín, väzníkov, oblúkov a pod., je súčasťou katalógových blokov, kde sa jednoduchou editáciou konkrétnych rozmerov vytvorí rovinný model. Ak ide o konštrukciu, ktorá využíva opakovanie rovinných väzieb, možno už v prvom kroku tvorby modelu kopírovaním, transláciou, rotáciou alebo zrkadlením vytvoriť priestorový model. Jednotlivým prvkom konštrukcie sú v prvom kroku tvorby výpočtového modelu priradené vlastnosti z rozsiahlej vstavanej databázy valcovaných aj zváraných prierezov.

V prípade, že ide o konštrukciu, ktorej geometria je daná napr. stavebným riešením a nemožno ju zadať uvedeným spôsobom, ostáva veľmi efektívnym prenos dát z čiarového 2D alebo 3D modelu zo stavebného výkresu pomocou formátu *.dwg.

Po zaťažení konštrukcie nasledujú príslušné výpočty, z ktorých ESA PT ponúka: statický lineárny 2D alebo 3D výpočet, fyzikálne nelineárny výpočet s vylúčením tlačených prútov, geometricky nelineárny výpočet (teória II. radu), stabilitný výpočet, analýza vzniku plastických kĺbov v rámovej prútovej konštrukcii, výpočet vlastného kmitania či frekvencií konštrukcie, harmonická aj spektrálna analýza a seizmicita.

Na základe spočítaných vnútorných síl nasleduje dimenzovanie konštrukcie. Plnoautomatická optimalizácia redukuje čas potrebný na výber vhodného prierezu, keď užívateľ zadá iba požadované percento využitia a typ prierezu. V prípade valcovaných prierezov je v rámci optimalizácie možná zmena typu, pri zváraných prierezoch užívateľ vyberie rozmer, ktorý požaduje optimalizovať, a zadá krok, po ktorom sa prierez bude meniť. Pomocou parametrizácie prierezu možno zadať aj závislosť jednotlivých rozmerov.

Navrhnutá oceľová konštrukcia v Londýne. Na požiadavku investora sa použili britské profily oceľových nosníkov a stĺpov, ktoré sú súčasťou databázy profilov programu ESA PT.Vizualizácia konštrukcie po vložení technologických celkov na výrobu pracích práškov v Londýne. Výstup z Autodesk Inventor.

Súčasťou posudku môže byť aj samostatný požiarny posudok (podľa EC3), ktorý možno v programe ESA PT vyhotoviť v dvoch oblastiach:

  • oblasť pevnosti, keď sa únosnosť prvku vypočíta v danom čase pôsobenia požiaru,
  • teplotne-časová oblasť – pri nej sa vypočíta kritická teplota prvku, pri ktorej sa jeho únosnosť rovná účinku pôsobenia zaťaženia a dochádza k zrúteniu. Z kritickej teploty sa vypočíta požiarna odolnosť v minútach.

Dimenzovanie oceľových konštrukcií možno vykonať podľa európskych noriem (EC3), ale aj podľa STN 73 14 01 (v roku 1998 táto norma nahradila pôvodnú z roku 1994, kapitola 1. bola aktualizovaná v roku 2005), DIN 18800, ÖNORM 4300, BS 5950 a ďalších, ktoré sú vytvorené pre špeciálnych užívateľov (AISC, CM 66, SIA 161, NEN 6770/6771).

Špeciálnym modulom možno vypracovať aj návrh a posúdenie rámových zváraných a skrutkových spojov, spojov väzníkov, prípojov na styčníkový plech, pätku aj výpočet tuhosti prípoja.

Po vykonaných výpočtoch a optimalizácii konštrukcie dostane statik kompletne funkčný výpočtový, ako aj tzv. CAD model v rámci jedného projektu, ktorého výstup v podobe *.dwg formáte môže odovzdať ďalším spolupracujúcim špecialistom.

Práca s 3D modelmi

Komunikácia so spolupracujúcimi špecialistami

Po vykonaní optimalizácie konštrukcie je výpočtový model schopný ďalšieho exportu. Statik vo svojich výpočtoch pracuje s modelom prútových prvkov tak, že jednotlivé prúty sú v bežných prípadoch vzájomne spojené v stredniciach. Excentricity spojenia prvkov sa zanedbávajú alebo sa uvádzajú ako vonkajšie zaťaženie. Na skutočné zobrazenie konštrukcie možno využiť pomôcky tzv. CAD tvaru, ktorý vychádza z výpočtového modelu. Zadať možno priečne odsadenie prútov, odsadenie koncových bodov a koncových orezov prútov. Do takto upraveného modelu sa môžu vkladať styčníky a ďalšie detaily, čím sa tvar konštrukcie v maximálnej miere priblíži skutočnosti. Pripravená nosná konštrukcia sa potom odovzdá vo formáte *.dwg technológovi.

Strojár použije konštrukčný skelet, do ktorého ďalej zapracuje svoju časť projektu. Načítanie konštrukcie s vopred definovaným vkladacím bodom umožňuje napr. program Autodesk Inventor, slúžiaci na projektovanie strojových komponentov. V 3D konštrukčnom modeli sa potom spracovávajú technologické konštrukcie, stroje, zariadenia a potrubia. Sledujú sa aj kolízie jednotlivých trás a kolízia s nosnou konštrukciou. Požiadavky na úpravy konštrukcie sa spätne odovzdajú v modifikovanom 3D modeli statikovi, ktorý konštrukciu opätovne posúdi.

Práve proces upresňovania vstupov, zmeny vedenia potrubných trás, výberové riadenie na dodávateľa technologických zariadení atď. sa musia neustále interaktívnym spôsobom zapracovávať tak do statického výpočtového modelu, ktorý prejde zmenami v rozmiestnení a dimenziách profilov, ako aj spätne do kontroly kolízií konštrukcie s technológiou. Odovzdávanie CAD modelu zo statického softvéru do technologických projektov vysoko efektívnym spôsobom urýchľuje prácu a umožňuje okamžitú prezentáciu rozpracovaného projektu až po jeho dokončenie.

Vložený technologický celok – nádrže, čerpadlá, potrubia do hneda zafarbenej nosnej oceľovej konštrukcieRealizácia zariadení pred dokončením

Zahraničné skúsenosti z prezentácií

Pre zahraničného zákazníka sú v prípade prvej prezentácie technologického projektu rozhodujúce:

  • priestorová predstava konštrukcie vrátane nadväzností na technológie,
  • cena konštrukcie vyjadrená spotrebou ocele.

V tzv. preliminary dizajne (predbežnom návrhu) ide predovšetkým o rýchle priestorové zobrazenie. Jednotlivé prierezy možno zobraziť v odlišných farbách v renderovanom 3D CAD modeli. Súčasťou výstupu optimalizácie konštrukcie, v preliminary dizajne zvolenej s ohľadom na možné spresnenie vstupov v ďalších stupňoch konzervatívne s využitím prierezov na približne 70 %, je aj celková hmotnosť konštrukcie. Možno ju vyčísliť po prierezoch alebo celkovo. Pre investora je zaujímavým výstupom aj náterová plocha konštrukcie. Je dôležitá pri rozhodovaní o type povrchových úprav (nátery, zinkovanie…), ale aj o spôsobe protipožiarnej ochrany (nátery, obklady alebo vlastná odolnosť konštrukcie). Výstupy z ESA PT sú možné v slovenčine, češtine, angličtine, nemčine, francúzštine a ďalších jazykoch.

Po odsúhlasení zámeru nasledujú ďalšie stupne dokumentácie s finálnym, tzv. detail dizajnom (podrobným návrhom), opäť s možnosťou 3D prezentácie v ľubovoľnej fáze rozpracovania projektu.

Priestorový model konštrukcie umožňuje aj získanie predstavy o tvare konštrukcie a zariadenia pri vlastnej montáži. Pri spomenutých činnostiach boli 3D modely súčasťou doplňujúcej dokumentácie, ktorá bola pre vedúcich montážnych skupín názornou pomôckou pri realizácii stavby.

doc. Ing. Hana Gattermayerová, CSc.
Foto: archív autora, archív firmy Chemoprag

Autorka je absolventkou Fakulty stavebnej ČVUT v Prahe, odbor pozemné stavby. Pôsobí ako docentka na Katedre konštrukcií pozemných stavieb a je autorizovanou inžinierkou v odbore statika a dynamika stavieb. Okrem toho je hlavným statikom v projekčnej spoločnosti Ateliér P.H.A, s. r. o., kde vedie profesijnú skupinu betónových a oceľových konštrukcií. Špecializuje sa na staticko-konštrukčné návrhy viacpodlažných aj halových budov vrátane ich rekonštrukcií. Je viceprezidentkou združenia SCIA ESA User group – užívatelia statického softvéru.

Podklady a literatúra:
(1)    SCIA CZ, s. r. o., firemná prezentácia programov ESA PT.
(2)    XANADU, a. s., firemná prezentácia programov Autodesk Inventor.
(3)    Chemoprag, s. r. o., Bioetanolový závod Trmice, Projekt N2 – West Thurrock, Veľká Británia, Projekt Endeavour – Pomezzia, Taliansko.