Jak szybko wyznaczać obciążenia klimatyczne według Eurokodu

Oddziaływania klimatyczne według Eurokodu

Obciążenia klimatyczne są szczególnym typem obciążeń zmiennych, na które narażony jest prawie każdy obiekt budowlany. Ich charakter oraz wartość związana jest ściśle z typem, geometrią oraz lokalizacją obiektu. W trakcie sporządzania projektu, projektant jest zobligowany uwzględnić te obciążenia w swoich obliczeniach.

CZYTAJ RÓWNIEŻ:

• Generowanie obciążeń klimatycznych w oprogramowaniu dla konstruktorów budowlanych Advance Design wersja 2020 – https://www.graitec.pl/blog/entry/nowosci-w-generatorze-obciazenia-wiatrem

W przeszłości zdarzało się już, że niepoprawne uwzględnienie tego oddziaływania prowadziło do katastrof lub awarii. Aspekt ten często jest upraszczany lub pomijany z uwagi na pewną pracochłonność wyznaczenia obciążeń (w szczególności wiatrem) i przeniesienia ich na model obliczeniowy, co będzie głównym tematem tego artykułu.

Obowiązującą obecnie podstawą regulującą zasady wyznaczania obciążeń klimatycznych są normy Eurokod – PN-EN 1991-1-3 w przypadku obciążeń śniegiem oraz PN-EN 1991-1-4 dla oddziaływań wiatru.

Rys. 1. Przykład ekstremalnych skutków oddziaływań klimatycznych

Normy te w podobny sposób określają w pierwszej kolejności wpływ lokalizacji obiektu na wielkość charakterystycznego obciążenia i dzielą kraj na strefy obciążenia odpowiednio śniegiem i wiatrem. Kolejnym krokiem jest określenie charakteru obciążenia wynikającego z geometrii samego budynku – dla wiatru będą to strefy ciśnienia zewnętrznego oraz ich rozkład, dla śniegu zaś współczynnik kształtu dachu. Całość jest zatem podstawą i względnie jasną instrukcją dla wyznaczenia ostatecznego obciążenia śniegiem i wiatrem.

Rys. 2. Przykładowy wycinek z Eurokodu 1 dla obciążeń klimatycznych

Automatyczna generacja obciążeń w modelu MES

W przypadku, gdy projektant chciałby wyznaczyć te obciążenia ręcznie i przyłożyć je do obiektu w programie obliczeniowym musi liczyć się z bardzo pracochłonnym zadaniem, wynikającym przede wszystkim z mnogości współczynników prowadzących do ostatecznej wartości i jest to można powiedzieć tak samo skomplikowane dla nawet najprostszego obiektu. Przykładowo – musimy rozważyć kilka kierunków wiatru, wyznaczyć zakres stref ciśnienia zewnętrznego, uwzględnić ciśnienie wewnętrzne, wartość ciśnienia w poszczególnych strefach, a do tego wszystkiego dochodząc uwzględniając szereg kilkudziesięciu zmiennych i wartości (od wymiarów, przez lokalizację, po współczynniki związane z ekspozycją, kierunkiem, terenem itd.). Najgorsze, że całość jest później drastycznie wrażliwa na zmiany – drobna zmiana geometrii budynku prowadzi do zmiany stref ciśnienia zewnętrznego.

W większości programów obliczeniowych jesteśmy zmuszeni niestety do wyznaczenia tych oddziaływań ręcznie i przyłożenia ich w postaci obciążeń do modelu MES konstrukcji, co często wymaga też od nas odpowiedniego przygotowania samego modelu. Program Advance Design posiada automatyczny generator obciążeń klimatycznych w oparciu o Eurokod, działający na zasadzie dyskretyzacji geometrii do odpowiednich schematów normowych dzięki czemu pozwala na generację tych obciążeń na dowolnie skomplikowanych obiektach. Użytkownik nie musi narzucać żadnych parametrów związanych z geometrią budynku.

Rys. 3. Schemat działania generatora obciążeń klimatycznych

Powyżej przedstawiono ogólny schemat działania generatora obciążeń klimatycznych (na przykładzie wiatru). Krok 1 to praktycznie tylko przygotowanie modelu MES na potrzeby każdej późniejszej analizy. Istotne jest natomiast, że cały obiekt obłożony jest okładzinami czyli panelami, które nie posiadają cech mechanicznych, a jedynie mają rozłożyć obciążenie powierzchniowe na elementy konstrukcyjne. Ich geometria została przedstawiona w kroku 2 – na tej podstawie program rozpoznaje kształt obiektu i stosuje odpowiednie schematy obciążeń. Krok 3 to wyznaczenie stref ciśnienia zewnętrznego i wartości obciążeń, które w kroku 4 są rozkładane z okładzin na pręty i powłoki. W kroku 5 przedstawiono finalny efekt czyli obciążenie konstrukcji od oddziaływania wiatrem.

Wszystkie te operacje odbywają się z automatu i można powiedzieć, że są domyślnie niewidoczne dla użytkownika – projektant przygotowuje jedynie geometrię i w rezultacie dostaje konstrukcję obciążoną oddziaływaniami klimatycznymi. Co istotne jakakolwiek zmiana w projekcie (geometria, założenia itp.) pozwala na automatyczną aktualizację obciążeń do bieżącego stanu modelu.

Przewodnik po generatorze Advance Design

Wersja 2020 programu wprowadziła szereg narzędzi pozwalających w łatwy sposób wygenerować wszystkie okładziny w ekstremalnie krótkim czasie np. poprzez selekcję elementów liniowych/powierzchniowych, poprzez wyciągnięcie, rysowanie czy kopiowanie.

Rys. 4. Parametry okładziny w programie Advance Design

Okładzina określa, w którym kierunku (x/y/xy/inny definiowany przez kąt) rozłoży obciążenie przyłożone do swojej powierzchni. Ponadto określa pewne parametry związane z obciążeniami klimatycznymi.

Obciążenia wyznaczane są na podstawie parametrów określonych w przypadkach obciążeń.

Rys. 5. Definicja parametrów przypadków obciążeń klimatycznych

Sama operacja jest banalnie prosta – parametry, które musimy ustalić są tymi, które nie są możliwe do ustalenia na podstawie modelu tylko wynikają z założeń projektu (wysokość n.p.m, współczynnik termiczny, kategoria terenu itp.).

Po tych dwóch operacjach (okładziny i przypadki obciążeń) program jest gotowy do wygenerowania obciążeń. Powstanie dokładnie tych przypadków ile jest koniecznych z punktu widzenia śniegu równomiernego/nierównomiernego czy różnych wartości ciśnienia w poszczególnych strefach.

CNC2M – dodatkowe przepisy dla obciążeń wiatrem

Co bardzo istotne, program implementuje przepisy dokumentu CNC2M. Dokument ten stanowi swojego rodzaju załącznik do francuskiego Eurokodu, natomiast w swojej naturze jest uniwersalny niezależnie od kraju. Określa od zasady wyznaczania stref i wartości ciśnienia dla budynków dużo bardziej skomplikowanych niż te zawarte w ogólnych postanowieniach Eurokodu np. budynki w kształcie L, C, daszki markizowe, dodatkowe przepisy dla wiat. W Polsce nie jesteśmy zobowiązani do korzystania z takich przepisów, ale jest to dużo bardziej wiarygodne podejście niż zastosowanie dla całego obiektu modelu zwykłej, prostopadłościennej „kostki”.

Rys. 6. Przykładowy wycinek z dokumentu CNC2M dotyczący budynków w kształcie litery L

Przykład wykorzystania tych przepisów w generatorze Advance Design w poniższym filmie:

Autor: Kamil Dziedzic