| Analiza szklenia strukturalnego dla konstrukcji o złożonym kształcie |
| Data dodania: 05.12.22 |
|
Świat konstrukcji i przegród budowlanych ewoluował w ostatnich latach, a ściana osłonowa stała się głównym wyrazem wyobraźni architektów. Złożony kształt architektoniczny doprowadził do potrzeby zintegrowanego projektowania z udziałem wszystkich zaangażowanych osób: klientów, architektów i projektantów fasad. Jak wynika z naszego doświadczenia – podejście wykorzystujące „Jeden pojedynczy model „(One Single Model – OSM) to najlepsze narzędzie do zarządzania złożonymi budynkami przez różne branże inżynierskie.
Rys. 1. Przebieg prac łączący pojedynczy model ze wstępną analizą elementów skończonych;
Podejście to ma na celu stworzenie jednego parametrycznego modelu 3D zawierającego wszystkie informacje o budynku i możliwego do powiązania ze wszystkimi różnymi fazami projektowania. Celem niniejszego opracowania jest pokazanie, w jaki sposób podejście OSM może być zastosowane do obliczeń statycznych/konstrukcyjnych ścian osłonowych.
Zostanie zaprezentowane studium przypadku, w którym nasze narzędzie pozwala na automatyczny proces analizy. W procesie tym jako dane wejściowe podawana jest złożona geometria pochodząca bezpośrednio z modelu głównego, a jako dane wyjściowe – analiza konstrukcyjna wszystkich przeszklonych paneli.
Bawiąc się przezroczystością, załamaniem światła i skomplikowanymi kształtami geometrycznymi, powłoka budynku stała się z jednej strony oknem na świat, a z drugiej ma wpływ na zewnętrzny odbiór – wygląd budynku. Inżynieria tej nowej koncepcji architektonicznej, przy zachowaniu niezmienionych parametrów konstrukcyjnych, akustycznych i termiczno- wilgotnościowych, jest wyzwaniem dla każdego projektu architektonicznego.
Zarządzanie tym procesem angażuje różne osoby, w tym klientów, architektów, projektantów, firmy budowlane i wiele innych. Duża liczba zainteresowanych stron sprawia, że konieczne jest opracowanie postępu prac, który, począwszy od głównej koncepcji, rozwija się w kierunku każdej gałęzi projektu, aktualizuje początkowe informacje krok po kroku i udostępnia je innym gałęziom w czasie rzeczywistym.
Główną koncepcję można określić jako pojedynczy parametryczny model 3D budynku zawierający wszystkie informacje konstrukcyjne, architektoniczne lub ekonomiczne, które będą przydatne w fazie projektowania lub w trakcie budowy. Jeden model nie jest obecnie w stanie bezpośrednio obsłużyć wszystkich obliczeń projektowych i z tego powodu musi być połączony ze wszystkimi wymaganymi specjalistycznymi programami aż do pożądanego poziomu szczegółowości.
W dziedzinie fasad strukturalnych OSM zawiera wszystkie informacje dla analiz statycznych i dynamicznych:
Po zebraniu danych narzędzie generuje globalny model elementów skończonych, który pozwala zidentyfikować najbardziej krytyczne stany tafli szkła. Następnie inne narzędzia zarządzają tą wyróżnioną szybą za pomocą konkretnych i bardziej precyzyjnych analiz. Na końcu procesu, jeśli szyby spełniają wymagania kontroli, oryginalny model zostanie automatycznie potwierdzony, w przeciwnym razie zostanie zaktualizowany o nowe informacje.
Na potrzeby tego artykułu model OSM jest reprezentowany przez geometrię 3D Rhinoceros sparametryzowaną za pomocą wtyczki Grasshopper. Dzięki zautomatyzowanej procedurze geometria jest automatycznie importowana jako model Strand7 w oparciu o różne parametry wejściowe. Procedura została wykonana w języku #C, który umożliwia automatyzację systemu i połączenie pomiędzy różnymi komponentami.
Podział obciążeń zewnętrznych równomiernie rozłożonych dla szyb zespolonych jest zgodny ze wskazaniami [1], [2] zarówno dla globalnego, jak i dla pojedynczego panelu (jednopłytowego) modelu elementów skończonych. W przypadku pojedynczego panelu (płyty) specjalne narzędzie pozwala na określenie efektywnego podziału obciążenia barierowego dla szyby zespolonej. Zarówno wartość obciążeń, jak i współczynniki częściowe są konfigurowane/ dostosowane tak, aby zaspokoić rosnące zapotrzebowanie międzynarodowe.
W celu wykazania przydatności procedury przeprowadzono studium przypadku, oparte na projekcie rzeczywistej konstrukcji i przetestowano porównanie modelu referencyjnego zaimplementowanego w SJMepla z modelem pojedynczej szyby St7, a wyniki opublikowano na końcu artykułu.
Głównymi cechami modelu jest możliwość przechowywania wszelkiego rodzaju informacji oraz ich łatwego udostępniania i aktualizowania w krótkim czasie. Aby możliwe było uzyskanie wyników konstrukcyjnych (naprężenia, ugięcia, reakcje węzłów) dla wszystkich paneli szklanych, model architektoniczny musi zostać przekształcony w model numeryczny, który jest zbudowany jako zespół/układ elementów skończonych.
Według [3] interfejs geometryczny nie ma inteligencji parametrycznej, która może być wykorzystana do bezpośredniego generowania modelu obliczeniowego, a konwersja ta została osiągnięta za pomocą skryptu Grasshopper. Narzędzie to, opracowane przez zespół badawczo-rozwojowy Maffeis Engineering, pozwala przypisać zestaw parametrów do każdego elementu geometrycznego i poprzez interfejs programowania aplikacji (API) automatycznie eksportuje geometrie i właściwości do „globalnego” modelu elementów skończonych Strand7.
Stworzenie tego modelu ma dwa główne cele - z jednej strony, zapewnia wstępną analizę przydatną do określenia szyby poddanej najbardziej krytycznym warunkom obciążenia, a z drugiej strony, pozwala inżynierowi na wstępne sprawdzenie wyników, oszczędzając czas potrzebny do przeprowadzenia najbardziej dokładnych analiz. Ponadto, reakcje węzłów z analizy globalnej mogą być użyte jako naprężenia do analizy ogólnego zachowania się słupów i rygli. Na rysunku 1 przedstawiono typowy przebieg prac dla branży konstrukcyjnej projektu zintegrowanego.
Pierwszym krokiem jest opracowanie modelu OSM, który zawiera wszystkie dostępne informacje o budynku (konstrukcyjne, fizyczne, ekonomiczne itp.); drugim krokiem jest wyodrębnienie submodelu/podmodelu zawierającego tylko informacje niezbędne do analiz konstrukcyjnych fasady (1a); trzecim krokiem jest opracowanie globalnego modelu elementów skończonych (1b); ostatnim krokiem są wstępne analizy konstrukcyjne całej fasady (1c).
Rys. 2. a) Dyskretyzacja fasady: 60 niezależnych paneli zaznaczonych innym kolorem dla każdej innej strefy wiatrowej.
Narzędzie to obsługuje: obciążenia skupione i liniowe (obciążenie barier/balustrad); zarówno podwójne, jak i potrójne szyby zespolone; więzy sztywne i sprężyste.
- analiza „konwencjonalna” szkła – narzędzie zapewnia konwencjonalną analizę szkła dla pojedynczej tafli szkła.
Aktualny stan wiedzy tego narzędzia pozwala na dwa główne etapy: „etap obciążeń długoterminowych/długotrwałych”, który łączy obciążenie stałe, obciążenie klimatyczne i obciążenie śniegiem oraz „etap obciążeń krótkotrwałych, „który łączy obciążenia użytkowe i obciążenie wiatrem.
Zarówno „Analiza etapowa”, jak i „Analiza klasyczna” automatycznie dołączają do modelu OSM raport zawierający główne informacje inżynierskie z analizy. Narzędzia te obsługują zarówno podwójne, jak i potrójne szyby zespolone, sztywne, jak i elastyczne/klejone warunki podparcia/ ograniczające, a także szyby zespolone V.E.A. (Vitrages Exterieurs Attachés szyby zewnętrzne mocowane punktowo lub klejone), dwu- i czterostronnie podparte.
- uderzenie/oddziaływanie ciała miękkiego na powierzchnie oszklone – narzędzie to zostało opracowane we współpracy z Uniwersytetem w Parmie [4] i pozwala na ocenę reakcji powierzchni oszklonych na impulsowe działanie dynamiczne.
Zastosowanie procedury „Jeden Pojedynczy Model (One Single
Panele mocowane na pionowej fasadzie są prostokątne, a ich wymiary to odpowiednio 2 m i 4 m; panele „świetlika” są trójkątne, a ich główne wymiary to odpowiednio 2 m i 4 m. Wszystkie krawędzie paneli są normalnie/prostopadle podparte na/do powierzchni.
W górnej części ściany osłonowej znajduje się przestrzeń podłogowa/podłogi, a obciążenie liniowe/barierowe należy przyłożyć do najwyższych paneli. Przypuszcza się, że ranga budynku wymaga przeprowadzenia badania w tunelu aerodynamicznym, w badaniu tym wyodrębniono trzy różne strefy ciśnienia wiatru (tab. 1, rys. 2a).
We wszystkich panelach zastosowano taką samą strukturę szkła – szyby zespolone wykonane są z symetrycznego „ podwójnego oszklenia” (szyby zespolonej jednokomorowej); każda tafla w szybie podwójnej zbudowana jest z pojedynczego szkła monolitycznego.
W celu przyspieszenia analiz i zwiększenia ich czytelności, globalny model elementów skończonych został podzielony na dwa prostsze modele: pierwszy z nich jest używany dla kombinacji SGU (stan graniczny użytkowania), a drugi dla kombinacji SGN (stan graniczny nośności). Każdy model uwzględnia 120 paneli (60 dla szyby zewnętrznej i 60 dla szyby wewnętrznej). Siatka składa się z czterowęzłowych izoparametrycznych elementów powłokowych, a średni rozmiar pojedynczego elementu wynosi 20 cm.
Obciążenia równomiernie rozłożone są przykładane prostopadle/normalnie do powierzchni elementów. W przypadku obciążenia liniowego/barierowego, elementy belki zerowej tworzone są poprzez węzły płyty zaznaczonej, a obciążenie liniowe P=1 kN/m przykładane jest normalnie/prostopadle do powierzchni płyty, zgodnie z lokalnym układem odniesienia belek. Panele mają różne orientacje przestrzenne: aby zastosować warunek wiązania/podparcia w płaszczyźnie i poza nią, konieczne było wyciągnięcie elementów belkowych z węzłów krawędziowych paneli, prostopadle do samych paneli.
Trzy różne typy belek są tworzone przy użyciu kinematycznego „zwalniania końca”: pierwsza symuluje normalne podparcie i przenosi na płyty tylko siły prostopadłe/normalne; druga symuluje proste podparcie i przenosi na płyty siły prostopadłe/normalne i ścinające w jednym kierunku; a trzecia symuluje podwójne podparcie i przenosi na płyty siły prostopadłe/ normalne i ścinające w dwóch kierunkach.
W analizach wstępnych modelu globalnego (tab. 2) uwzględniono cztery różne budowy/wzmocnienia szkła, zmieniając grubości efektywne płyt.
Tab. 1. Strefy parcia/ciśnienia wiatru wyodrębnione z wyników badań w tunelu aerodynamicznym
Wyniki (rys. 2b, rys. 2b) pokazują, że najbardziej krytycznym panelem jest prostokątna szyba w prawym górnym rogu, zarówno w kombinacjach przemieszczeń, jak i kombinacji naprężeń.
Kombinacją, która generuje najgorszy przypadek, jest ssanie wiatru jako podstawowy przypadek obciążenia i obciążenie liniowe/barierowe jako przypadek złożonego obciążenia. Aby przetestować różne szyby, globalna analiza została powtórzona czterokrotnie.
W tabeli 2 przedstawiono wyniki liczbowe dla najgorszego scenariusza wyodrębnionego na podstawie analiz globalnych. W odniesieniu do maksymalnego dopuszczalnego przemieszczenia wlim = min (B, H) / 100 = 2000 /100 [mm] = 20 mm, procedura OSM została rozwinięta tylko dla zabudowy szklanej 10-16-10 i 12-16-12.
Kształty geometryczne najbardziej obciążonego panelu zostały wyeksportowane w nowym modelu elementów skończonych. Panel został ponownie zagęszczony, a maksymalny rozmiar elementów został ustawiony na 10 cm. Warunki podparcia zostały zaktualizowane zgodnie z nowym układem odniesienia modelu.
W analizach tych uwzględniono warunek „obciążenia klimatycznego”, efektywnego „rozkładu obciążenia barierowego” oraz obciążenie udarowe/impulsowe. Pierwszym krokiem analizy pojedynczego panelu jest określenie „efektywnego rozkładu nacisku/parcia na barierę „. W warunkach izochorycznego zachowania się komory szyby zespolonej, pod wpływem ugięcia szyb/tafli powstaje nadciśnienie (dodatnie ciśnienie/parcie); parcie/ ciśnienie to można oszacować za pomocą numerycznej analizy iteracyjnej.
Na rysunku 3a i rysunku 3b przedstawiono postępy iteracyjne podziału ciśnienia zarówno dla szyby zespolonej 10-16-10, jak i dla szyby zespolonej 12-16-12. Z przeprowadzonych analiz wynika, że dla szyby zespolonej 10-16-10 ciśnienie dzielone Pb_10 = 0,143 kPa, a dla szyby zespolonej 12-16-12 ciśnienie dzielone Pb_12 = 0,149 kPa. Aby zapewnić skuteczność metody, dokonano porównania wyników między programem „Maffeis Engineering Iterative Tool” a komercyjnym oprogramowaniem „SJ MEPLA”; porównania te przedstawiono w tabeli 3.
Wyniki uzyskane za pomocą narzędzia Maffeis Engineering są zgodne z oprogramowaniem komercyjnym, a błąd względny wynosi zawsze poniżej 2,5% zarówno dla ugięcia, jak i dla naprężeń. Na koniec procesu „parcie/ciśnienie współdzielone” zostało automatycznie dodane do przypadku obciążenia barierowego w modelu elementów skończonych z jednym panelem.
Kolejnym krokiem są analizy SGU i SGN dla pojedynczego panelu. Model elementów skończonych ma takie same cechy numeryczne, jak model użyty do obliczeń obciążenia barierowego/bariery i zastosowano sztywne podparcie/wiązania poza płaszczyzną.
Na potrzeby niniejszej pracy wykonano dwa różne obliczenia. W pierwszym obliczeniu - wszystkie obciążenia zostały przyłożone z uwzględnieniem tego samego okresu przyłożenia obciążenia: ta standardowa kalkulacja została nazwana „analizą bez etapów”.
W drugim obliczeniu obciążenia „długotrwałe” zostały przyłożone do nieodkształconej szyby i przeprowadzono analizę nieliniową (etap 1).
Po zakończeniu analizy przeprowadzono kolejne obliczenia (etap 2) przykładając obciążenia „krótkotrwałe” do odkształconego kształtu uzyskanego w analizie etapu 1. Procedura ta została nazwana „analizą etapową”. W celu wykazania przydatności metody przeprowadzono porównanie tych dwóch metod z analizą jednoetapową wykonaną przy użyciu komercyjnego oprogramowania SJ MEPLA, a wyniki przedstawiono w tabeli 4.
Wyniki wykazują bardzo dobrą zgodność pomiędzy dwiema analizami bez etapów (nieetapowej). Sumy błędów spowodowanych różnymi systemami analizy metodą elementów skończonych (w SJ MEPLA zastosowano 9-węzłowe elementy izoparametryczne), które dodane do błędów spowodowanych różnym podziałem obciążenia pojedynczej szyby poddanej obciążeniom rozłożonym, są zawsze mniejsze niż 0,65 mm pod względem maksymalnego ugięcia poza płaszczyzną oraz mniejsze niż 0,95 MPa pod względem maksymalnego naprężenia głównego.
W analizie etapowej maksymalne błędy wzrastają odpowiednio do 0,71 mm i 1,05 MPa z uwagi na uwzględnienie w analizie nieliniowości. Na zakończenie analiz sporządzany jest raport tabelaryczny. Raport ten zostanie dołączony do modelu OSM jako nowa informacja, z którą będzie mogła zapoznać się każda osoba zaangażowana w projekt. Przykład raportu tabelarycznego przedstawiono na rysunku 4.
Procedura OSM umożliwia wykonanie jeszcze jednego kroku. Zgodnie z potwierdzonym podejściem, do automatycznej procedury OSM dodano innowacyjne narzędzie, przedstawione w [4], służące do oceny odpowiedzi przeszklonych powierzchni w odniesieniu do impulsowego działania dynamicznego zastosowanego w losowym położeniu płyty. Geometria pojedynczej płyty została wyeksportowana w kolejnym modelu elementów skończonych, a siatka została zaktualizowana w celu zastosowania się do instrukcji [4].
Procedura pozwala na rozważenie dowolnego położenia/pozycji płyty jako punktu uderzenia, a rysunek 5 przedstawia dwie możliwe konfiguracje. Do analiz testu udarności (próby uderzenia) wzięto pod uwagę szybę 12-16-12. Szyba o wymiarach 10-16-10 nie spełnia wymogów wcześniejszych badań ugięcia i taka szyba została odrzucona. Wyniki próby udarności i ich porównanie z wynikami programu SJ MEPLA przedstawiono w tabeli 5.
Wyniki pokazują zgodność pomiędzy narzędziem do badania udarności a oprogramowaniem komercyjnym z maksymalnym błędem poniżej 5%. Na zakończenie analiz, wyniki badań udarności zostaną dołączone do głównego raportu tabelarycznego, który został przedstawiony na rysunku 5.
Rys. 3: Obciążenie bariery „rozkład parcia/ciśnienia”; a) szyba zespolona 10-16-10; b) szyba zespolona 12-16-12.
Tab. 3. Porównania wyników pomiędzy danymi uzyskanymi za pomocą narzędzia Maffeis Iterative a danymi uzyskanymi za pomocą oprogramowania SJ MEPLA.
Zespół badawczo-rozwojowy Maffeis Engineering pracuje nad ciągłym unowocześnianiem procedury, aby zawsze być w czołówce w kompleksowym projektowaniu budynków. Trwają badania nad nowym, pełnym modelem 3d „pojedynczej kostki”, który pozwoli wymodelować efektywne zachowanie płaskich i zakrzywionych/wygiętych szyb laminatowych oraz zaoszczędzić czas i zasoby materiałowe.
Nowy i prostszy interfejs graficzny, dzięki któremu cała procedura będzie dostępna dla każdego rodzaju użytkowników, jest w programie firmy. Dodanie nowego przypadku obciążenia „wybuchem bomby” do procedury OSM jest przedmiotem badań we współpracy z Uniwersytetem w Parmie [5] i stanowi cel krótkoterminowy, aby spełnić nowe światowe standardy projektowania elewacji.
Rys. 4. a), b) Przykładowy raport z tabelą wyników, dostarczony przez jednopanelowe narzędzie. Tabele zawierają zestawienie najważniejszych informacji konstrukcyjnych: maksymalne naprężenia na rozpatrywanej tafli szkła, kombinacje, które je spowodowały, położenie maksymalnych naprężeń, naprężenia dopuszczalne oraz sprawdzenia.
Rys. 5. Konfiguracja siatki do badań udarności: a) punkt uderzenia ustawiony jest w środku płyty; b) punkt uderzenia ustawiony jest w prawym górnym rogu płyty.
Tab. 5. Wyniki badań w teście udarności: wMax to maksymalne ugięcie z płaszczyzny w kierunku uderzenia, wMin to maksymalne ugięcie z płaszczyzny w kierunku przeciwnym do uderzenia, a σ11+Max to maksymalne naprężenie główne.
Massimo Maffeis, Marco Bombonato,
[2] DIN 18008:2010, Szkło w budownictwie – zasady projektowania i konstrukcji. [3] R. Rempling, D. Fall, K. Lundgren, „Aspekty zintegrowanego projektowania konstrukcji: modele parametryczne, przestrzeń twórcza i powiązana wiedza”, Civil Engineering and Architecture 3(5): 143-152, 2015. [4] A. Consolaro, G. D’Ambrosio, M. Maffeis, G. Royer-Carfagni, „Inżynierskie narzędzia do badania uderzenia ciała miękkiego w powierzchnię szkła (“An engineered tool for the soft-body impact on glazed surfaces”), Glass Performance Days (GPD), Tampere, Finlandia, 2019. [5] M. Maffeis, G. Royer-Carfagni, L. Viviani, „Inżynierskie podejście do podstawowego projektowania przeszklonych powierzchni poddanemu działaniu fal uderzeniowych” (An engineering approach for the basic design of glazed surfaces under blast waves), Glass Performance Days (GPD), Tampere, Finlandia, 2019.
Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
|
