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 rešenja, 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 zahtevaju 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 menjati, što zahteva određenu fleksibilnost i mogućnost određenih modifikacija. Navedene izmene se moraju, koliko je to moguće, predvideti tokom samog razvoja, kako bi se iste mogle realizovati kada se stvore adekvatni uslovi.

Složeni zadaci zahtevaju 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 predvideti i proceniti troškove izgradnje i održavanja.

ZAJEDNIČKI IZAZOVI SAVREMENE INDUSTRIJE

Veliki građevinski projekti kao jedan od najvećih problema imaju prekoračenje troškova i zadatih rokova izradnje. Posledica ovih problema su nepredviđeni događaji i promene konstrukcije tokom izradnje. Kao jedan od osnovnih zahteva 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 rešenje koje odgovara unapred 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 celine. 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 zahtevaju 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. Takođe, važno je predviteti 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, osvetljenje i uređenje prostora. Takođe, 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 predvidelo ponašanje materijala, raspored unutrašnjih napona i deformacija koje nastaju kao rezultat zadatih uslova. Nakon ovih analiza i simulacija, predviđene vrednosti podataka mogu se prikazati kroz dijagrame i matematički analizirati. Na osnovu ovih podataka inženjeri mogu definisati mehaničke karakteristike materijala i odrediti mogućnost njihove primene.
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 bezbednosti. Dassault Systemes u okviru svoje platforme ima jedno od softverskih rešenja za rešavanje 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 celinu, kojom nekoliko korisnika može istovremeno upravljati u skladu sa postavljenim zahtevima. Bilo koja promena 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 rešavanja najsloženijih problema. Koristi se za rešavanje 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 rešenja koji zadovoljavaju statičke i osnovne dinamičke proračune. Međutim, za proračun složenih problema dinamičkog karaktera, kao što je dinamika cele konstrukcije kod zemljotresa uključujući kontakte, koji se kod dinamike javljaju i gde je pri tome potrebno odrediti razvoj pukotine ili prsline, koristi se softversko rešenje Abaqus.

PRIMENA SOFTVERA ZA SIMULACIJU KOD MOSTOVA

Prvi korak u nizu operacija je kreiranje 3D modela. Kreiranje 3D modela podržano je kroz CATIA rešenje 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 primera 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. Vrednost deformacija koje su nastale u zadatim uslovima mogu se pročitati sa skale koja je prikazana kroz brojčanu vrednost i paletu boja. 


Prikaz deformacija mosta nastalih pri zadatim vrednostima realnih opterećenja

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


 PRIMENA 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 primer 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 rešenje 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 vek, što omogućava poboljšanje polaznih karakteristika konstrukcije kako bi se životni vek produžio.
 Prikaz deformacija dobijenih simulacijom u Abaqus

Slika 4. Prikaz deformacija dobijenih simulacijom u Abaqus rešenju