Moderní softwarové nástroje pro statickou analýzu

Aktuální verze programu Advance Design obsahuje řadu jazykových lokalizací a odpovídající příslušné národní standardy. Z aktuálně platných norem jsou to implementované Eurokódy, od ČSN EN1990 po ČSN EN1998, s výjimkou ČSN EN1994 a ČSN EN1996 pro návrh ocelobetonových a zděných konstrukcí. V prostředí unifikovaných normových požadavků se otevírají nové možnosti spolupráce na zakázkách pro zahraniční investory, proto může být užitečné mít k dispozici možnost provádět výpočet taky podle standardů jiných zemí (např. Německo, Anglie, Francie atd.) a vytvářet statické zprávy v jiném jazyce.

S aktuálním trendem využívání technologie informačních modelů budov (BIM) rostou taky nároky na datovou výměnu. Model konstrukce nebo referenční podklady lze načíst v některém ze standardních výměnných formátů (např. IFC nebo DXF). Produktová řada Graitec Advance navíc disponuje vlastním formátem GTC a technologií, která umožňuje sledování změn a následnou synchronizaci samostatných modelů, vytvořených v aplikacích řady Graitec Advance nebo Autodesk Revit.

Pro návrh a posouzení libovolné konstrukce je nutná znalost geometrie (model konstrukce) a vnější vlivy, které na konstrukci působí (zatížení). Cílem návrhu je stanovení dimenzí tak, aby byla splněna stanovená kritéria z hlediska únosnosti, použitelnosti, trvanlivosti a požární odolnosti při maximální hospodárnosti návrhu. Pro potřeby tvorby modelu disponuje Advance Design vlastním modelářem, který respektuje zaběhlé konvence běžně používaných CAD programů. Patrná je dlouhodobá zkušenost firmy Graitec s vývojem vlastních CAD aplikací. Pro tvorbu prutových prvků je k dispozici rozsáhlá databáze parametrických, válcovaných, nebo složených průřezů, uživatel má k dispozici i vlastní kalkulátor průřezových charakteristik průřezu libovolného tvaru. Z hlediska chování lze definovat různé typy prutových (nosník, táhlo, vzpěra, atd.) a plošných prvků (deska, stěna, atd.). Pro distribuci plošných zatížení na soustavu prutů lze využít tzv. zatěžovací panel, který může sloužit taky jako referenční plocha (např. náhrada lehkého obvodového pláště) pro automatické generátory klimatických zatížení sněhem nebo větrem. Pro usnadnění zadávání geometrie obsahuje Advance Designu také parametrické zadání 16 typů portálových rámů a příhradových vazníků nebo generátor lineární a plošné klenby. Konstrukce může být podepřena bodovými, lineárními, nebo plošnými podporami s různě nastavenými stupni volnosti. Podpory navíc můžou být pružné, se zadanou tuhostí, případně přenášející pouze tah nebo tlak. Pro výpočet základových konstrukcí lze zadat skladbu podložních vrstev, z nichž je následně vypočtena tuhost podloží.

Základní typy zatížení jsou standardní – bodové, lineární a plošné, přičemž jednotlivá zatížení jsou vytvářena v rovinách, které odpovídají různým typům zatížení a následné slouží pro automatické generování kombinací pro jednotlivé mezní stavy. Rychlost modelování může být znásobena využitím generátorů zatížení. K dispozici jsou výkonné generátory klimatických zatížení sněhem (ČSN EN1991-1-3) a větrem (ČSN EN1991-1-4) a to jak pro konstrukce v prostoru (3D), tak i v rovině (2D). Další typy zatížení, které následně ovlivňují typ výpočtu, jsou dynamické proměnné zatížení a zatížení teplotou. Navíc lze efektivně simulovat účinek zemětřesení podle ČSN EN1998. Zatížení hydrostatickým tlakem lze zadat parametricky na základě úrovně hladiny vody, stejně tak zatížení zemním tlakem z horní a spodní úrovně zeminy, její objemové hmotnosti a součinitele zemního tlaku. Možností zadávání kombinací zatěžovacích stavů je několik. Kromě manuálního zápisu je lze generovat automaticky, na základě zadání požadovaných mezních stavů, nebo definicí matice koexistence zatěžovacích stavů. Při využití funkce pro automatické generování klimatických zatížení může být vytvořeno poměrně velké množství zatěžovacích stavů. Při automatickém generování u složitějších konstrukcí pak dochází k vygenerování velkého počtu kombinací, které neúměrně zatěžují výpočet. V praxi je však celkem výhodné provést generování všech kombinací a před výpočtem odmazat ty, které jsou evidentně zbytečné, spíš než přidávaní vlastních kombinací.

Jednotlivé konstrukční prvky modelu a zatížení je možné třídit do skupin ve stromové struktuře v prostředí tzv. navigátoru a vytvořit tak hierarchii, která vyhovuje specifickým potřebám konkrétního projektu. Skupiny prvků lze vypínat, vybírat pro změnu parametrů, atd. Poněkud nevýhodné je, že zatížení nemají vazbu na konstrukci, kterou zatěžují, a v navigátoru se obsluhují samostatně. Je tedy nutné umisťovat je do samostatných skupin, což obsah navigátoru zvětšuje a ztěžuje orientaci, která je jinak mimořádně kvalitně řešena.

Před samotným výpočtem konstrukce proběhne ověření konzistence modelu a generování sítě konečných prvků. Generátor sítě programu Advance Design umožňuje zadat, jak má být síť konečných prvků vytvořena, zda segmenty mají čtyřúhelníkové, trojúhelníkové, nebo kombinace (T3-Q4). V libovolném exponovaném místě konstrukce je možné síť uživatelsky upravit a zahustit.

Výpočetní kapacity programu Advance Design nejsou limitovány pouze na základní lineární statický výpočet. Pro podrobnou analýzu konstrukcí lze využít nelineárního výpočtu (geometrická nelinearita), nebo stabilitní výpočet. V případě dynamického zatížení konstrukce vynuceným kmitáním je k dispozici modální analýza. Výsledkem výpočtu MKP jsou deformace, vnitřní síly, napětí, reakce v podporách a ostatní veličiny vyplývající ze zvoleného typu výpočtu. Pro kontrolu výsledků lze využít grafický post-processing, nebo tabulky v generátoru dokumentů. Grafický pot-processing umožňuje několik způsobů reprezentace výsledků (diagramy, hodnoty atd.). Jak post-processing, tak tabulky, poskytují rozsáhlé možnosti filtrování, díky čemu jsou informace v generovaných statických zprávách přehledné a srozumitelné. Veškeré výsledky
a odvozené dokumenty lze po změnách konstrukčního modelu a novém výpočtu aktualizovat.

Dle zadání požadovaných analýz (pevnost, stabilita, požární odolnost, trhliny atd.) je možné následně posoudit ocelové, železobetonové a dřevěné konstrukce podle ČSN EN1993, ČSN EN1992 a ČSN EN1995. Ocelové a dřevěné prutové konstrukce lze posoudit z hlediska deformací, vzpěru, klopení, pevnosti nebo stability, eventuálně požární odolnosti. Tyto konstrukce lze na základě stupně využití automaticky optimalizovat. Pro železobetonové konstrukce jsou stanoveny nutné plochy výztuže prutového nebo plošného prvku, je posouzena šířka trhlin, vypočteno napětí v oceli a v betonu. V železobetonových průřezech (sloup nebo nosník, dle způsobu namáhání) lze automaticky navrhnout reálnou výztuž, případně je možné posoudit zadanou výztuž. Železobetonové desky lze posoudit na protlačení s návrhem požadované výztuže. V rámci samostatného rozhraní Advance Design Steel Connection je možné navíc posuzovat standardní typy ocelových styčníků.

ZÁVĚR
Advance Design se díky schopnému CAD modeláři, možnosti práce ve 2D i 3D, rozsáhlým možnostem importu různých formátů a široké škále výpočetních kapacit uplatní jak pro výpočet jednoduchých konstrukcí, tak pro statickou a dynamickou analýzu rozsáhlých staveb. Program současně umožňuje na základě zadaných předpokladů výpočtu získat různou míru podrobnosti výsledků. Advance Design obsahuje veškeré potřebné funkce pro kompletní analýzu, od základových konstrukcí a jejich spolupůsobení s podložím, přes automatický generátor klimatických zatížení, výpočet hydrostatického a zemního tlaku, od posouzení a dimenzování běžně namáhané konstrukce, až po posouzení staveb na seismicitu, např. na poddolovaném území.

Contemporary Static Analysis Software Tools
Current requirements on the static calculation, planning and examination of constructions cause that the design practice will not do without efficient engineering software. There is plenty of quality and verified software on the market; however, we will dedicate this article to Advance Design software, used not only in the Czech Republic. In the Graitec Advance product line focused on the design of steel constructions and creating documentation of building construction and engineering structures, the Advance Design program represents a complex tool for static and dynamic analysis of simpler and more complex building structures, including the direct support in the evaluation of steel, reinforced concrete or wooden elements according to a relevant standard.

Autoři

• Ing. Bandžák Marián
• Ing. Tatoušek Jan