Simulacije i strukturna analiza u arhitekturi, inženjerstvu i građevini

Simulacije i strukturna analiza u arhitekturi, inženjerstvu i građevini

Proizvod, priroda i životno okruženje u arhitekturi, inženjerstvu i građevini

Napredak tehnologije i savremenih sistema, pružaju veliki broj mogućnosti i stvaraju okruženje, koje omogućava vizuelizaciju i kreiranje virtuelne stvarnosti. Inovativne tehnologije, uz podršku savremenih softverskih rješenja, ideje poput podvodnih hotela, hiper-petlji i 3D štampanih objekata pretvaraju u fizičke objekte. Prilikom razvoja ideja i njihove fizičke realizacije poseban akcenat mora biti izražen na žaštiti životne sredine, prirodnih i kulturnih dobara i neugoržavanju žive populacije u okruženju. Zajednice kreirane na ovaj način zahtjevaju interakciju na relaciji životno okruženje-proizvod-korisnik. Prva pomisao je na građevinske objekte poput modernih hotela, gradskih naselja, ali nikako ne treba zanemariti objekte, koji imaju direktan uticaj na prirodu, kao što su mostovi, brane ili tuneli. Jedna od savremenih rešetkastih konstrukcija prikazana je na slici 1. koja je predstavljena na Shanghai Expo 2010.


Struktura čelične konstrukcije Shanghai Expo 2010


Razvoj novih proizvoda i materijala od samog početka je prilagođen okruženju i uslovima eksploatacije, uz istovremenu maksimalnu funkcionalnost i sigurnost samog proizvoda. Uslovi eksploatacije i životno okruženje se vremenom mogu mijenjati, što zahtjeva određenu fleksibilnost i mogućnost određenih modifikacija. Navedene izmjene se moraju, koliko je to moguće, predvidjeti tokom samog razvoja, kako bi se iste mogle realizovati kada se stvore adekvatni uslovi.

Složeni zadaci zahtjevaju realne simulacije, koje treba da obuhvate istovremeno preciznu geometriju modela, materijalne osobine i daju realne prikaze ponašanja proizvoda tokom fizičkih i prirodnih procesa. Kroz proces razvoja neophodno je precizno predvidjeti i procjeniti troškove izgradnje i održavanja.

ZAJEDNIČKI IZAZOVI SAVREMENE INDUSTRIJE

Veliki građevinski projekti kao jedan od najvećih problema imaju prekoračenje troškova i zadatih rokova izradnje. Posljedica ovih problema su nepredviđeni događaji i promjene konstrukcije tokom izradnje. Kao jedan od osnovnih zahtjeva postavlja se ravnoteža između troškova, vremena i kvaliteta, bilo koji projekat da je u pitanju. Na ovaj način konačan proizvod je profitabilniji, sigurniji i lakši za proces održavanja. U periodu izgradnje, arhitekte i građevinski inženjeri, prvenstveno treba da predstave koncept i idejno rješenje koje odgovara unaprijed zadatim uslovima. Potrebno je identifikovati potencijalna strukturna opterećenja i konstrukciju prilagoditi tako, da se nastala opterećenja adekvatno raspoređuju. Svaka greška i potencijalni defekt u fazi razvoja može dovesti do značajnih vremenskih odlaganja i troškova rekonstrukcije. Pri formiranju konstrukcije kao složenog sistema sa međusobno povezanim elementima važno je voditi računa o načinu montaže i formiranju sistema kao cjeline. Od izuzetne važnosti je konstrukciju formirati identično zadatim graničnim uslovima u softveru (zavrtanjske veze, zavareni spojevi, ojačanja itd.) kako bi se rezultati simulacije poklapali za realnim uslovima. Sve prethodno navedene činjenice zahtjevaju široku studiju proučavanja i definisanja tokova realizacije projekta. Precizno definisani uslovi u ranoj fazi razvoja mogu značajno povećati kvalitet proizvoda, njegovu sigurnost i produžiti životni vek. Također, važno je predvidjeti logističku podršku tokom procesa montaže i spajanja elemenata.


PRIMENA SOFTVERA ZA SIMULACIJU

U arhitekturi, virtuelna realnost i grafički modeli značajno doprinose kvalitetnijem konceptualnom dizajnu, uzimajući u obzir širok spektar različitih kriterijuma, kao što su raspored, osvjetljenje i uređenje prostora. Također, virtuelni prikaz (renderovanje) može se iskoristiti, kako bi se prikazani model što realnije predstavio. 

U inženjerstvu, virtuelna realnost može se iskoristiti za proračun strukturnih i geometrijskih konfiguracija. Ove konfiguracije se ,zatim, mogu koristiti u računarskim analizama kako bi se predvidjelo ponašanje materijala, raspored unutrašnjih napona i deformacija, koje nastaju kao rezultat zadatih uslova. Nakon ovih analiza i simulacija, predviđene vrijednosti podataka mogu se prikazati kroz dijagrame i matematički analizirati. Na osnovu ovih podataka inženjeri mogu definisati mehaničke karakteristike materijala i odrediti mogućnost njihove primjene.
U izgradnji, finalni dizajn se koristi za procenu i nabavku materijala, planiranja operacija i logističku podršku. Ukoliko je potrebno mogu se izraditi određeni alati i pribori u zavisnosti od gabarita proizvoda ili konstrukcije.
Kao što je predstavljeno, simulacije daju podršku kroz sve tri faze bilo kog građevinskog projekta, konceptualnog i arhitektonskog dizajna, inženjerske konstrukcije i izgradnje objekta. Alati za simulacije i vizuelizaciju procesa u građevini značajno olakšavaju proces realizacije, poboljšavaju kvalitet i značajno doprinose povećanju bezbjednosti. Dassault Systemes u okviru svoje platforme ima jedno od softverskih rješenja za rješavanje prikazanih problema.

Structure Design u okviru 3DEXPIRENCE platforme je posebno razvijen modul, kako bi se inženjerima i arhitektama omogućila jedinstvena mogućnost virtuelnog prikaza idejnog modela, i izvođenje inženjerskih simulacija. Modul kreira, analizira  i povezuje međusobno povezane aplikacije u jednu cjelinu, kojom nekoliko korisnika može istovremeno upravljati u skladu sa postavljenim zahtjevima. Bilo koja promjena u nekoj od komponenti ažurira se u sistemu. Za složenije proračune koristi se softverski paket Abaqus, koji je lansiran 1978. godine i do danas se unapređuje i nadograđuje u cilju rješavanja najsloženijih problema. Koristi se za rješavanje multifizikalnih nelinarnih problema, kao što su elasto-plastične analize, analize oštećenja strukture, termalne analize i analize difuzionih efekta, dinamičke analize i slično.

Za osnovne proračune građevinskih konstrukcija postoji veći broj softverskih rješenja, koji zadovoljavaju statičke i osnovne dinamičke proračune. Međutim, za proračun složenih problema dinamičkog karaktera, kao što je dinamika cijele konstrukcije kod zemljotresa uključujući kontakte, koji se kod dinamike javljaju i gdje je pri tome potrebno odrediti razvoj pukotine ili prsline, koristi se softversko rješenje Abaqus.

PRIMJENA SOFTVERA ZA SIMULACIJU KOD MOSTOVA

Prvi korak u nizu operacija je kreiranje 3D modela. Kreiranje 3D modela podržano je kroz CATIA rješenje u 3DEXPIRENCE okruženju, nakon čega se opterećenja, ograničenja, generisanje mreže i definisanje graničnih uslova nastavlja u SIMULIA softveru, a sve u istom 3DEXPIRENCE okruženju. Jedan od primjera prikazan je na slici 2. Na slici je prikazan most sa kugličnim nosačima, na čijem modelu je izvršena analiza metodom konačnih elemenata. Analiza prikazuje polje nastalih deformacija sa zadatim opterećenjima. Vrijednost deformacija, koje su nastale u zadatim uslovima, mogu se pročitati sa skale koja je prikazana kroz brojčanu vrijednost i paletu boja. 


Prikaz deformacija mosta nastalih pri zadatim vrednostima realnih opterećenja

Slika 2. Prikaz deformacija mosta nastalih pri zadatim vrijednostima realnih opterećenja


 PRIMJENA SOFTVERA ZA SIMULACIJU KOD GRAĐEVINSKIH OBJEKATA

3DEXPIRENCE platforma omogućava modeliranje i simulaciju realnih uslova u kojima se nalaze građevinski objekti. Na slici 3. prikazan je primjer zgrade od 25 spratova, koja je izrađena kao rešetkasta konstrukcija. Slika vizuelno prikazuje polja naprezanja i opterećenja. Na slici je prikazano vertikalno opterećenje pod dejstvom gravitacione sile. 


Prikaz vertikalnog opterećenja pod dejstvom gravitacione sileSlika 3. Prikaz vertikalnog opterećenja pod dejstvom gravitacione sile


 

Abaqus kao softversko rješenje omogućava simulaciju dinamičkih opterećenja prikazanih u određenom vremenu. U obzir se uzimaju zamor i oštećenje materijala koje tokom vremena nastaje. Na ovaj način se dobija realna slika ponašanja konstrukcije kroz njen životni vijek, što omogućava poboljšanje polaznih karakteristika konstrukcije, kako bi se životni vijek produžio.
 Prikaz deformacija dobijenih simulacijom u Abaqus

Slika 4. Prikaz deformacija dobijenih simulacijom u Abaqus rješenju