Modelování ocelové konstrukce elektrárny na konkrétním případu – Värtaverket Stockholm

• Foto

TVORBA STRUKTURY MODELU (MODEL STRUCTURE)
Fáze projektu v modelu
Práci v Tekla Structures je možno rozdělit do osmi základních fází. Tvorba interaktivního modelu konstrukce a konečných výstupů zahrnuje: Tvorbu a úpravu struktury modelu (Model structure), Tvorbu přípojů (Detail design), Používání nástrojů modelu (Model tools), Kontrolu modelu (Checking model), Práci s výkresy (Drawings), Zpracování výstupu (Export), Práci v režimu více uživatelů (Shared model), Externí spolupráci (Cooperation).

Struktura modelu
Při tvorbě struktury modelu se vychází z projekční části zakázky. Do modelu je možno importovat struktury z externích zdrojů. Pro import jsou využívány výstupy z aplikací SCIA ENGINEER, PDMS, AUTOCAD. Referenční objekty jsou vkládány ve formátech DWG, IFC, STP, SDNF a dalších.

Po doplnění hlavních položek dílců do Tekla modelu je možné stavbu dělit na jednotlivé objekty (Objects). Objekty se dělí na jednotlivé oblasti (Areas). Oblasti je dále možno rozdělit na konstrukční celky (Units). Konstrukční prvky a konstrukční celky začleníme do fází (Phases) a tříd (Classes).

Takto vytvořenou strukturu je možné číslovat – číslováním se každému prvku přiřadí jednoznačné identifikační údaje (číslo dílce, číslo položky, název atd.). Tato základní struktura modelu umožňuje pracovat s konkrétní oblastí v modelu na základě zobrazovacích filtrů, výběrových filtrů a dalších nástrojů využívajících přiřazené identifikační údaje.

Objekty modelu
Doplňkové konstrukce a typické konstrukční celky je možno tvořit pomocí „Maker“ (předdefinovaných nástrojů).

Základní objekty modelu jsou Dílce a Položky. Ke každému dílci a položce jsme schopni v průběhu modelování zjistit aktuální informace (číslo dílce, profil, plocha nátěru, hmotnost, souřadnice těžiště atd.).

Tekla Structures rozeznává tři základní druhy prvků konstrukce, kterými jsme schopni vymodelovat i složité struktury. Základní prvky jsou: Plate, Column, Beam.

Objednávku materiálu a výkaz výměr exportujeme pomocí reportů. Tekla Structures obsahuje velké množství šablon pro reporty. Report je možno exportovat přesně dle požadavku investora.

Nástroje modelu
Při práci v modelu používáme celou řadu nástrojů (zobrazovacích, manipulačních, filtračních, …).

Mezi základní nástroje pro práci s modelem patří pohledy a jejich kombinace. Tekla Structures umožňuje pracovat současně s devíti pohledy.

Pro práci v konkrétní oblasti modelu se využívají fáze modelu, do kterých je model rozčleněn a filtry, které můžeme rozdělit na zobrazovací filtry a výběrové filtry. Do jednotlivých fází vkládáme související prvky konstrukce, které tvoří logické celky, případně montážní celky. Ve filtrech se potom využívají identifikační údaje prvků (číslo dílce, číslo položky, třída, fáze atd.). 

NÁVRH DETAILŮ A PŘÍPOJŮ (DETAIL DESIGN)
Tvorba přípojů
Navazující fází zpracování modelu je Detail design – návrh přípojů. Jednotlivé přípoje se modelují pomocí maker. Přípoje vystupují v modelu jako celek, jehož vlastnosti je možno měnit v dialogovém okně v jednotlivých záložkách. Přípoje je možno v případě potřeby rozbít na samostatné prvky.

Typy přípojů
Makra pro tvorbu přípojů jsou rozdělena do skupin přípojů. Jako příklad je možno uvést skupiny přípojů: Ztužidla (Bracing), Čelní desky (End plates), Výztuhy (Stiffeners).

Přípoje je možno tvořit i bez pomoci maker. Pro tyto účely Tekla Structures obsahuje příkazy Vlastnosti šroubů a Vlastnosti svarů. Pomocí dialogových oken zadáváme vlastnosti svarů a šroubových sestav. Spojovací materiál je poté možno exportovat reportem a připravit objednávku.

OPTIMALIZACE A KONTROLA MODELU (CHECKING MODEL)
Kontrolní funkce
Kontrolní funkce modelu je možno rozdělit na funkce pro globální kontrolu a optimalizaci modelu a na funkce pro kontrolu a optimalizaci na úrovni prvků.

Pro globální optimalizaci používáme funkce Kontrolu kolize a Diagnostiku modelu. Diagnostika modelu zajistí stabilizaci databází, přiřazení jednoznačných identifikačních údajů prvkům a odstranění nepotřebných dat z modelu. Kontrolu kolize je možno zadat pro celý model, případně pro vyfiltrovanou část modelu. Výsledkem je protokol s detailními informacemi o zjištěných kolizích.

Pro kontrolu prvků modelu je možno využít tři základní funkce (dialog vlastností prvku, příkazy pro měření a funkce porovnání dvou objektů modelu – položky a dílce).

TVORBA VÝSTUPŮ (EXPORT)
Výkresy
Tekla Structures umožňuje tvorbu výkresů položek, dílců, montážních schémat (projekčních výkresů) a složených výkresů (kombinace výkresů dílců a položek).

Výkresy je možno exportovat do formátu DWG, PDF.

Exportované formáty
Pro komunikaci s investorem, projektantem, prováděcí firmou a montážní firmou Tekla Structures nabízí řadu externích formátů. Model je možno exportovat do formátu IFC a následně otevřít v prohlížeči BIMSIGHT, ve kterém vyčteme všechny potřebné informace obsažené v modelu. Další možností je využít funkci PUBLIC
WEB. Takto exportovaný model je možno otevřít v běžném internetovém prohlížeči. Pro spolupráci s navazujícími profesemi je možno využít formát SDNF nebo IFC a následně konstrukci vložit pomocí programu PDMS do společného modelu (stavební část, technologie atd.).

Pro výrobu položek Tekla Structures nabízí NC DATA, které je možno následně načíst do obráběcích strojů.

ZÁKLADNÍ ÚDAJE STATICKÉHO MODELU
Globální analýza, statický a dynamický výpočet konstrukce švédské elektrárny je zpracován v prostředí softwaru Scia Engineer. Tvorba modelu byla započata ve verzi 2011.1, v průběhu prací, byl model nuceně převeden do verze 14.

Statický model je tvořen jako prostorová prutová konstrukce, která je běžně bodově podepřena jednoduchými vazbami, které odebírají jednotlivé stupně volnosti. Plošné prvky nejsou využity.

Tím ovšem jednoduchost končí. V modelu jsou obsaženy všechny prvky, které tvoří konstrukci elektrárny. Kromě nosných prvků jsou do modelu zahrnuty rovněž prvky pomocné, které napomáhají přehlednosti. Jsou to například pruty, které anoncují umístění významných zatížení od potrubí nebo entity, které slouží pro lepší prostorovou orientaci a simulují významné objekty technologie. Tyto prvky jsou umístěny v konstrukčních hladinách a nevstupují tak do analýzy. Neovlivňují ji svými mechanickými parametry ani vlastní hmotností. Z výše zmíněných důvodu je celkový počet prvků v modelu větší než 13 tis. Počet přiřazených průřezů přesahuje číslo 10 tis. Obrovské množství jednotlivých zatížení, která vystupují v modelu jako osamělá břemena a spojitá zatížení, je v modelu rozděleno do 66 zatěžovacích stavů. Prvkům jsou přiřazeny tři materiály. Všechny nosné prvky jsou pro jednoduchost a nezaměnitelnost navrženy z materiálu S355. Materiál S275 je využit pro pomocné prvky v konstrukčních hladinách. Jakost materiálu tedy slouží jako jakýsi parametr filtru. Z materiálu S235 jsou provedeny úhelníky v plošinách, které zabraňují klopení nosníků.

VÝHODY, ÚSKALÍ A PRAVIDLA ZADÁVÁNÍ VE STATICKÉM MODELU
Celkový prostorový model elektrárny je tvořen v softwaru PDMS (Plant Design Management System). Jedná se o sofistikovaný 3D CAD systém, který je primárně určen právě pro modelování a management průmyslových staveb. Hlavní výhodou tvorby globálního modelu, ve kterém jsou obsaženy všechny součásti, je možnost prostorové kontroly. Je-li vše umístěno tak, jak má, jsou vloženy přídavné informace jako např. tloušťka izolací tlakových částí, průchodné profily na lávkách, apod., je software schopen velice efektivně pohlídat kolizní místa. Systémem clash reportů je možné identifikovat riziková místa a přizpůsobit dimenze prvků, trasování potrubí a jiné. Další nespornou výhodou je, že jsou prvky a objekty již globálně umístěny a mají své parametry v 3D prostoru. Jejich převod do dalších 3D systémů, Tekla Structures a Scia Engineer nevyjímaje, je poté možný.

Možnost provedení statické analýzy v moderním sofistikovaném softwaru je bezesporu velkou výhodou a napomáhá k rychlejšímu a efektivnějšímu návrhu, nicméně je nezbytné při práci dodržovat určitá pravidla tak, aby bylo možné se ve velkém objemu dat orientovat. Do výpočtu vstupuje, jak již bylo zmíněno, převážné obrovské množství zatížení. K tomu, aby bylo přesně alokováno a aby hodnoty odpovídaly skutečné tíze a účinkům technologie, je zatížení zpracováváno tabulkově. Jednotlivým účinkům jsou přiřazena kontrolní čísla technologických zařízení, souřadnice a směry působení, čísla prvků v modelu ve Scia Engineer a relativní souřadnice působiště na prutu. Je-li matice údajů vyplněna pečlivě, je poté už snadné převedení informací do prostředí statického modelu. Scia Engineer totiž podporuje tabulkový vstup. Zadání a případná editace takového objemu dat týkajícího se zatížení, je ručně zcela nemyslitelná. Časová náročnost by byla enormní a při zadávání by bylo generováno velké množství chyb. K tomu, aby fungovalo zadání umístění zatížení prostřednictvím relativní souřadnice, je nutné, aby byly všechny prvky orientovány v souladu s globálním souřadným systémem (GSS). Pro orientaci v počtu 13 tis. prvků je nutné souvisejícím entitám přiřazovat parametry, podle kterých je možné posléze filtrovat. K tomu v prostřední Scia Engineer slouží nástroje vrstvy a pojmenované výběry. Bez nich, by práce byla velice neefektivní. V neposlední řadě je pro možnou pozdější optimalizaci využití prutů podstatné přiřadit téměř každému prvku jeho vlastní průřez. Sice enormně naroste počet průřezů v modelu, přičemž spousta jich je stejného typu, ale vyhneme se tomu, že si při pozdější optimalizaci budeme měnit průřezy i u jiných prutů, které mají přiřazený stejný průřez. Stejné průřezy samozřejmě přiřazujeme prutům, u kterých to chceme, např. z konstrukčních důvodů požadujeme stejnou výšku, apod.

ZATĚŽOVACÍ STAVY A KOMBINACE
Jednotlivá zatížení jsou obsažena v 66 zatěžovacích stavech, které vystihují druh namáhání. Jedná se o stálá zatížení, klimatická zatížení, užitná (nahodilá) zatížení na plošinách, zatížení reprezentující tíhu a účinky tlakových celků. Dále pak zatížení od zásobníků a sil, zatížení od potrubních tras a zatížení od podvěsných kladkostrojů.

Zatěžovací stavy poté vstupují do výpočtu v kombinacích. Software je schopen vytvořit kombinace automaticky a jednotlivým zatěžovacím stavům přiřadit kombinační součinitele v souladu se zvolenými normami. Při takto velkém počtu zatěžovacích stavů je výsledný počet kombinací opravdu obrovský, což prodlužuje časovou náročnost výpočtu, nicméně máme jistotu, že žádný z možných účinků na konstrukci není opomenut. Kombinace jsou tvořeny pro posouzení konstrukce v mezním stavu únosnosti a mezním stavu použitelnosti. Zvláštní kombinace jsou vytvořeny pro posudky vodorovných prvků, nosníků a prvků svislých, sloupů, u kterých je aplikována možná redukce užitného zatížení na plošinách. Dalšími kombinacemi jsou řešeny stavy při údržbě a mimořádná situace při požáru.

VYSKYTUJÍCÍ SE PROBLÉMY
Práce s takto velkým statickým modelem pochopitelně přináší některá úskalí. Je třeba zmínit, že model tohoto počtu prvků a zatěžovacích stavů je již hraničně velký, stává se nepřehledným a odhalení chyb je komplikované. 

Čas výpočtu se pohybuje okolo 7 min. Práce při optimalizaci, kdy jsou z nějakého důvodu změněny okrajové podmínky, které ovlivní výsledky, se tudíž protahuje.

Globální model sebou přináší bezesporu řadu výhod, existuje však aspekt, který práci komplikuje. V modelu je jakoby vše propojeno. Vše souvisí se vším. Každá změna ovlivní široké okolí. Změní se matice tuhosti a přerozdělí se vnitřní síly. Při optimalizaci můžeme často narazit na situace, kdy změna průřezu znamená „odtečení“ vnitřní síly jinam a okolní prvky, které před chvílí vyhovovaly, již po redistribuci sil nevyhovují. Často se tedy postupuje iteračně. To však při délce výpočtu značně zvyšuje celkovou časovou náročnost práce.

Vzhledem k tomu, že práce na takto velkých projektech trvá v řádech desítek měsíců, někdy jednotek let, a do projektu vstupují neustálé změny, je zřejmé, že je do statického modelu neustále zasahováno. Provádí se neustálé úpravy, kopírování, mazání, apod.

A právě tyto operace jsou zdrojem chyb a vnesených zárodků problémů. Často nastává situace se zdvojenými uzly, nechtěně posunutý zatížením, smazanými prvky, a dalšími zásahy, které postupně narušují integritu modelu. Přes veškerou snahu o akurátní práci s modelem, dodržování všech zásad, čištění modelu a kontroly vstupních dat, na které jsou v softwaru nástroje, není daleko od kolapsu modelu a jeho nevratného poškození.

V průběhu práce na modelu švédské elektrárny právě tyto nepříjemné situace, které se vyžádaly nucený převod modelu do nejnovější verze Scia Engineer 14, nastaly. V modelu se z nezjištěných příčin začaly objevovat poruchy v knihovnách průřezů. Software nebyl schopen alokovat jednotlivé průřezy k prutům ze své vnitřní databáze. Scia Helpdesk tuto záležitost řešil přes tři týdny a stálo to opravdu velké úsilí. Množství dat, které muselo být prohlídnuto a opraveno bylo enormní.

NÁVRH A POSOUZENÍ PŘÍPOJŮ
Návrh a posouzení přípojů je nedílnou součástí tvorby výrobní dokumentace. Je to činnost, která předchází samotnému kreslení výrobních výkresů a i k ní jsou pochopitelně využívány nejmodernější softwarové nástroje.

Pro akci švédské elektrárny bylo nutné navrhnout tisíce přípojů. Doklad je proveden pro cca 4 tis. z nich.

Vzhledem k obrovskému počtu přípojů a omezenému času na jejich analýzu nebylo možné všechny přípoje podrobit analýze MKP. Je nutné říci, že to ani není nutné. Některé přípoje jsou z hlediska svého fungování jednoduché a není nezbytné je komplikovaně modelovat. Pro návrh přípojů byly tedy použity klasické XLS formuláře pracující s komponentní metodou, které si každý statik sám vyvine tak, aby měl jistotu, že výpočet probíhá v souladu s jeho předpoklady. Komplikované, důležité a netradičně řešené přípoje potom byly individuálně překontrolovány v novém progresivním softwaru IDEArs, který funguje na bázi CBFEM modelu. Jde tedy o kombinaci komponentní metody s metodou konečných prvků. Je to software vyvinut právě za účelem efektivního návrhu a posouzení ocelových styčníků a je s ním možné namodelovat a podrobit analýze široké spektrum aplikací.

ZÁVĚR
Aplikace Tekla Structures umožňuje pracovat na 3D interaktivním modelu konstrukce ve sdíleném režimu. Sdílení je možno realizovat na lokálních podnikových sítích LAN nebo je možno využít Internet. V rámci zpracování modelu je využit princip BIM – Building Information Modeling (model obsahuje komplexní informace o stavbě).

Pro optimální využití Tekla Structures se předpokládá zapojení všech zainteresovaných stran – investor, projekt manager, architekt, stavební inženýr, inženýři specialisté, strojní inženýr, výrobce, stavbyvedoucí, stavební dozor a subdodavatelé.

Tekla Structures umožňuje vytvářet 3D interaktivní modely, umožňuje řízení stavby dle modelu a umožňuje poskytovat průběžné informace investoru, uživateli a dalším stranám.

Práce s globálním statickým modelem, ve kterém jsou zahrnuty všechny součásti, přináší bezesporu velký přínos. Dobře vystihne vzájemnou interakci jednotlivých složek, zkrátí čas návrhu a mnohdy konstrukci zekonomičtí. Na druhou stranu však při velkém objemu dat znepřehlední situaci a začne klást zvýšené nároky na pozornost projektantů.

Každopádně bez využití těchto moderních softwarových nástrojů by v dnešní hektické době, kdy je kladen enormní tlak na zkrácení projekční části, nebylo možné smysluplně stavební ocelové konstrukce navrhovat.

Modelling of Steel Construction of Power Plant in a Specific Case – Värtaverket Stockholm
The application Tekla Structures is used for the modelling of steel constructions. This application allows the creation of interactive 3D model, where all the necessary data for the production and assembly of a steel construction are included. The information that is important for the contract conduction and cooperation with other specialized units are at one’s disposal at the same time. The BIM principle allows the conduction of the construction according to the model and providing an investor with up-to-date information. The calculation model and analysis are processed in Scia Engineer software. The advantages and drawbacks of working with a model of rather extensive construction of a Swedish power plant are described in the article.

Autoři

• Ing. Štefek Libor
• Michalík Pavel