Software pro navrhování ocelových konstrukcí

Práce projektanta ocelových konstrukcí je v současnosti už prakticky nepředstavitelná bez použití výpočetní techniky. Statické programy, které jsou na našem trhu projektantům k dispozici, umožňují rychlou a interaktivní práci při navrhování i velmi složitých prostorových ocelových konstrukcí. Projektant-statik musí v rámci svého zadání spolupracovat i s dalšími specialisty, od nichž přebírá část jejich výstupů nebo jim poskytuje své výsledky. Článek uvádí příklady spolupráce statika ocelových konstrukcí a technologa při tvorbě náročných technologických projektů.

Statické výpočty
Vstupní údaje pro statika
Zadáním pro statika ocelové konstrukce bývá v případě technologických projektů tzv. layout, tj. dispoziční uspořádání strojnětechnologického zařízení, které připravuje specialista – technolog. V layoutu je v první fázi zadání popsána jen přibližná velikost strojů i zařízení. Specifikováno je zatížení, které vyvozují. To bývá charakterizováno hmotností stroje, případné náplně nebo provozním zatížením.

Specifikuje se i případné dynamické zatížení vyvolané provozem. Pokud nejde o zařízení způsobující vynucené kmitání konstrukcí, technolog udává většinou jen dynamický součinitel, jímž se zvyšuje statické zatížení od provozu stroje.

Podle náročnosti ocelové konstrukce na další provozně-dispoziční vazby může, ale nemusí být v počáteční fázi projektu zadání i stavebně-architektonické řešení. V případě objektů, které jsou ze stavebního hlediska poměrně jednoduché, ocelovou konstrukci modeluje přímo statik. Tam, kde se k utilitárnímu technologickému řešení připojují i další požadavky na konstrukci, zpracuje hrubé rozvržení stavební inženýr. Ten potom odevzdá statikovi stavebně-dispoziční řešení včetně požadavků na zatížení například skladbami podlah, hmotností stavebních konstrukcí (příček, podhledů, obvodového pláště), požadavků na požární odolnost ocelové konstrukce, na náhodná užitková zatížení vodorovných konstrukcí s ohledem na provoz v objektu.

Na základě uvedených vstupů vytvoří statik výpočtový model nosné konstrukce, dimenzuje jednotlivé prvky a odevzdá stavebnímu inženýrovi k zapracování do stavebních výkresů, případně technologovi pro další zpřesnění kolizí mezi nosnou a technologickou konstrukcí, kotvení aparátů apod.

Výsek stropní konstrukce s průvlaky a stropnicemi a navazujícími sloupy, čárové schéma konstrukce na výpočet se zobrazením přiřazených profilů		Styčník v 3D CAD zobrazení, renderované plochy, vaznice lícované s horní hranou průvlaků, ořezy průniků prutů

Tvorba výpočtového modelu, výstupy
Většina programů používaných oceláři umožňuje rychlé grafické zadávání konstrukce.
Na příkladu softwaru ESA PT je popsán postup vytvoření modelu konstrukce včetně posouzení.
Geometrie základních tvarů konstrukcí, například rámů, příhradovin, vazníků, oblouků apod., je součástí katalogových bloků, kde se jednoduchou editací konkrétních rozměrů vytvoří rovinný model.

Pokud jde o konstrukci, která využívá opakování rovinných vazeb, lze již v prvním kroku tvorby modelu kopírováním, translací, rotací nebo zrcadlením vytvořit prostorový model. Jednotlivým prvkům konstrukce jsou v prvním kroku tvorby výpočtového modelu přiřazeny vlastnosti z rozsáhlé vestavěné databáze válcovaných i svářených průřezů. V případě, že jde o konstrukci, jejíž geometrie je dána například stavebním řešením a nelze ji zadat uvedeným způsobem, zůstává velmi efektivním přenos dat z čárového 2D nebo 3D modelu ze stavebního výkresu pomocí formátu *.dwg.

Po zatížení konstrukce následují příslušné výpočty, z nichž ESA PT nabízí: statický lineární 2D nebo 3D výpočet, fyzikálně nelineární výpočet s vyloučením tlačených prutů, geometricky nelineární výpočet (teo­rie II. řádu), stabilitní výpočet, analýzu vzniku plastických kloubů v rámové prutové konstrukci, výpočet vlastního kmitání či frekvencí konstrukce, harmonickou i spektrální analýzu a seizmicitu.

Vložený technologický celek – nádrže, čerpadla, potrubí do hněda zabarvené nosné ocelové konstrukce		Realizace zařízení před dokončením

Na základě spočítaných vnitřních sil následuje dimenzování konstrukce. Plnoautomatická optimalizace redukuje čas potřebný k výběru vhodného průřezu, kdy uživatel zadá jen požadované procento využití a typ průřezu. V případě válcovaných průřezů lze v rámci optimalizace změnit typ, u svařovaných průřezů uživatel vybere rozměr, který chce optimalizovat, a zadá krok, po němž se průřez bude měnit. Pomocí parametrizace průřezu je možno zadat i závislost jednotlivých rozměrů.

Součástí posudku může být i samostatný požární posudek (podle EC3), který lze v programu ESA PT vytvořit ve dvou oblastech:

• oblast pevnosti, kdy se únosnost prvku vypočítá v daném čase působení požáru,
• teplotně-časová oblast, kdy se vypočítá kritická teplota prvku, při níž se jeho únosnost rovná účinku působení zatížení a dochází k zhroucení. Z kritické teploty se vypočítá požární odolnost v minutách.

Dimenzování ocelových konstrukcí lze vykonat podle evropských norem (EC3), ale i podle DIN 18800, ÖNORM 4300, BS 5950 a dalších, které jsou vytvořeny pro speciál­ní uživatele (AISC, CM 66, SIA 161, NEN 6770/6771).

Speciálním modulem je možno vypracovat i návrh a posouzení rámových svařovaných a šroubových spojů, spojů vazníků, přípojů na styčníkový plech a patku i výpočet pevnosti přípoje.
Po vykonaných výpočtech a optimalizaci konstrukce dostane statik kompletně funkční výpočtový, jakož i tzv. CAD model v rámci jednoho projektu, jehož výstup v podobě *.dwg formátu může odevzdat dalším spolupracujícím specialistům.

Navržená ocelová konstrukce v Londýně. Na žádost investora byly použity britské profily ocelových nosníků a sloupů, které jsou součástí databáze profilů programu ESA PT.		Vizualizace konstrukce po vložení technologických celků na výrobu prášků v Londýně. Výstup z programu Autodesk Inventor

Práce s 3D modely
Komunikace se spolupracujícími specialisty
Po vykonání optimalizace konstrukce je výpočtový model schopen dalšího exportu. Statik ve svých výpočtech pracuje s modelem prutových prvků tak, že jednotlivé pruty jsou v běžných případech vzájemně spojeny v střednicích. Excentricity spojení prvků se zanedbávají nebo se uvádějí jako vnější zatížení. Ke skutečnému zobrazení konstrukce lze využít pomůcky tzv. CAD tvaru, který vychází z výpočtového modelu. Zadat je možno příčné odsazení prutů, odsazení koncových bodů a koncových ořezů prutů. Do takto upraveného modelu se mohou vkládat styčníky a další detaily, díky čemuž se tvar konstrukce v maximální míře přiblíží skutečnosti. Připravená nosná konstrukce se potom odevzdá ve formátu *.dwg technologovi.

Strojař použije konstrukční skelet, do kterého dále zapracuje svou část projektu. Načítání konstrukce s předem definovaným vkládacím bodem umožňuje například program Autodesk Inventor, sloužící k projektování strojových komponentů. V 3D konstrukčním modelu se potom zpracovávají technologické konstrukce, stroje, zařízení a potrubí. Sledují se i kolize jednotlivých tras a kolize s nosnou konstrukcí. Požadavky na úpravy konstrukce se zpětně odevzdají v modifikovaném 3D modelu statikovi, který konstrukci opětovně posoudí.

Právě proces upřesňování vstupů, změny vedení potrubních tras, výběrové řízení na dodavatele technologických zařízení atd. se musí neustále interaktivním způsobem zapracovávat jak do statického výpočtového modelu, který projde změnami v rozmístění a dimenzích profilů, tak i zpětně do kontroly kolizí konstrukce s technologií. Odevzdávání CAD modelu ze statického softwaru do technologických projektů vysoce efektivním způsobem urychluje práci a umožňuje okamžitou prezentaci rozpracovaného projektu až po jeho dokončení.

Zahraniční zkušenosti z prezentací
Pro zahraničního zákazníka jsou v případě první prezentace technologického projektu rozhodující:

• prostorová představa konstrukce včetně návaznosti na technologie,
• cena konstrukce vyjádřená spotřebou oceli.

V tzv. preliminary designu (předběžném návrhu) jde především o rychlé prostorové zobrazení. Jednotlivé průřezy lze zobrazit v odlišných barvách v renderovaném 3D CAD modelu. Součástí výstupu optimalizace konstrukce, v preliminary designu zvolené s ohledem na možné zpřesnění vstupů v dalších stupních konzervativně s využitím průřezů na přibližně 70 %, je i celková hmotnost konstrukce.

Lze ji vyčíslit po průřezech nebo celkově. Pro investora je zajímavým výstupem i nátěrová plocha konstrukce. Je důležitá při rozhodování o typu povrchových úprav (nátěry, zinkování), ale i o způsobu protipožární ochrany (nátěry, obklady nebo odolnost konstrukce). Výstupy z ESA PT jsou možné ve slovenštině, češtině, angličtině, němčině, francouzštině a dalších jazycích.

Po odsouhlasení záměru následují další stupně dokumentace s finálním, tzv. detail designem (podrobným návrhem), opět s možností 3D prezentace v libovolné fázi rozpracování projektu.
Prostorový model konstrukce umožňuje i získat představu o tvaru konstrukce a zařízení při montáži. U zmíněných činností byly 3D modely součástí doplňující dokumentace, která byla pro vedoucí montážních skupin názornou pomůckou při realizaci stavby.

Realizovaná konstrukce		Realizace konstrukce před opláštěním

doc. Ing. Hana Gattermayerová, CSc.
Foto: archiv autora, archiv Chemoprag

Autorka je absolventkou Fakulty stavební ČVUT v Praze, obor pozemní stavby. Působí jako docentka na Katedře konstrukcí pozemních staveb a je autorizovanou inženýrkou v oboru statika a dynamika staveb. Kromě toho je hlavní statičkou v projekční společnosti Ateliér P.H.A, s. r. o., kde vede profesní skupinu betonových a ocelových konstrukcí. Specializuje se na staticko-konstrukční návrhy vícepodlažních i halových budov včetně jejich rekonstrukcí. Je viceprezidentkou sdružení SCIA ESA User group – uživatelé statického softwaru.

Literatura
1. SCIA CZ, s. r. o., firemní prezentace programů ESA PT.
2. XANADU, a. s., firemní prezentace programů Autodesk Inventor.
3. Chemoprag, s. r. o., Bioetanolový závod Trmice, Projekt N2 – West Thurrock, Velká Británie, Projekt Endeavour – Pomezzia, Itálie.