Processbeskrivning – Modellbaserad konstruktionsberäkning

Modellbaserad konstruktionsberäkningProcessbeskrivning & övningsuppgift

Case: Studenthemmet

Undervisningsmaterialet är utvecklat med stöd av Byggrådet 1

Processbeskrivning – Modellbaserad konstruktionsberäkning

IntroduktionSyftet med detta moment är att du ska utveckla kunskap om och färdighet i att använda information från en BIM-modell för att genomföra en analys av en byggnads bärande delar (stommen). En uppgift som normalt utförs av en konstruktör i delprocessen produktbestämning (projektering) i aktiviteten detaljutformning; se figuren nedan.

Figur 1. Placering i byggprocessen.

Själva analysen av byggnaden genomförs i ett program baserat på finita elementmetoden (FEM) se senare i detta dokument.

Den ursprungliga BIM-modellen innehåller objekt som funktionellt inte har någon koppling till byggnadens bärande system och som därmed inte heller ska vara med i modellen för den aktuella analysen. Steget till denna beräkningsmodell innehåller även geometriska avvägningar kring hur de ingående objekten modelleras och sätts samman, hur man definierar randvillkor, etcetera. Avväganden som i många fall kan vara svåra att göra men som samtidigt påverkar det resultat man får från analysen1. I denna uppgift har många av dessa avväganden och antaganden genomförts i modellen angående stommens geometri och dimensioner som tillhandahålls.

LärandemålEfter avklarat moment förväntas man

kunna visa kunskap om antaganden och förutsättningar som kan vara aktuella att göra när man extraherar en beräkningsmodell från en komplex BIM-modell

att med utgångspunkt från en BIM-modell kunna skapa en avskalad modell som kan användas för analys av lastbärande delar

kunna genomföra en FEM-analys genom att komplettera en modell med nödvändiga förutsättningar för beräkning såsom till exempel randvillkor och laster

kritiskt kunna förhålla sig till de beräkningsresultat som erhålls och kunna verifiera dem genom enklare kontroller

kritiskt kunna förhålla sig till de antaganden och de förutsättningar som analysen baseras på och kunna relatera dem till den ursprungliga modellen av byggnaden

skriftligt kunna dokumentera det genomförda arbetet i en strukturerad rapport

1 Se till exempel Fröderberg, M. & Thelandersson, S. (2014) Uncertainty caused variability in preliminary structural design of buildings, Structural Safety, DOI: 10.1016/j.strusafe.2014.02.001 [2014-07-11]

Undervisningsmaterialet är utvecklat med stöd av Byggrådet 2

Processbeskrivning – Modellbaserad konstruktionsberäkning

Underlag för övningen – dokument och programNedanstående filer och dokument behövs i denna övning:

Modell: ”Test 1 Kmodell_2013.rvt” (Revit 2013), som innehåller uppgifter om stommens geometri och dimensioner

Föreläsning, ”Konstruktionsberäkning” (PowerPoint) Instruktionsfilmer, ”Film 1 export revit till robot” till ”Film 10c Tips…” Ritningsmaterial, A-40.1-001 Plan 1, A-40.1-002 Plan 2-5, A-40.1-006 Plan 6, A-40.2-001

Sektion A och A-40.3-001 Fasader

De programvaror som används i detta övningsmoment utgörs av:

Revit 2013 med Robot Structural Analysis (www.autodesk.com)

Övningsuppgift – Modellbaserad konstruktionsberäkning Denna övningsuppgift tar utgångspunkt i projektet avseende studenthemmet och handlar om att använda BIM-modellen i en konstruktionsberäkning. Från modellen fås stora delar av den indata som behövs för beräkningen.

UppgiftDu som konstruktör i projektet är ombedd att göra en lastnedräkning som avser ”Studenthemmet”. Denna ska användas för att entreprenören ska kunna göra en bedömning av pålentreprenadens omfattning och kostnad.

FörutsättningarFörutsättningarna för beräkningsmodellen framgår av Figur 2 och tabell 1. Lasterna på översta våningsplanet förenklas i detta skede men bedöms ge rimlig noggrannhet (stommen för den lätta överbyggnaden representeras förenklat av en jämnt utbredd last).

Lastkombinationerna som ska analyseras är 6.10A och 6.10B – se t ex Byggkonstruktion, Regel- och formelsamling (Isaksson et al).

Undervisningsmaterialet är utvecklat med stöd av Byggrådet 3

Processbeskrivning – Modellbaserad konstruktionsberäkning

Figur 2. Lastmodell

Laster Beskrivning Karakteristisk last

Lastreduktionsparametrar

Reduktion för ytlast

g1 Egenvikt översta bjälklaget + den lätta överbyggnaden

2 kN/m² + egenvikt från modell

- -

g2 Egenvikt bjälklag Från modell - -

g3 Egenvikt vägg Från modell - -

G1 Egenvikt tung fasad 7.65 kN/m - -

G2 Egenvikt glasfasad 2.75 kN/m - -

q1 Snölast (inkl för snöficka) 1.2 kN/m²

-

q2 Nyttig last (inkl inneväggar) 2.5 kN/m²

A=0.73

Sp (fjäderstyvhet upplag pelare) 4.8·105 kN/m

spz (vertikal fjäderstyvhet upplag vägg) 2.4·105 kN/m/m

spx,y (horisontell fjäderstyvhet upplag vägg) 2.4·105 kN/m/m

Betongkvalitet C30/37

Tabell 1. Indata lastmodell

Krav på inlämningInlämningen ska bestå av:

Beräkningsmodellen i digitalt format. Lastnedräkning med separat sammanställning (pdf-utskrift från beräkningsprogrammet) över

maximala dimensionerande laster till grund. Rimlighetsbedömning av resultat – redovisas separat t ex genom enkel handberäkning. Beräkningsfil exklusive resultat

Undervisningsmaterialet är utvecklat med stöd av Byggrådet 4

Processbeskrivning – Modellbaserad konstruktionsberäkning

Processbeskrivning – Modellbaserad konstruktionsberäkningDenna uppgift utförs av konstruktören i delprocessen produktbestämning (projektering) i aktiviteten detaljutformning; se figuren nedan.

Figur 3. Byggprocessen

Användaren av resultatet är i sin tur entreprenören som har detta som ett underlag för att ta fram omfattningen och kostnaden för pålentreprenaden.

För beräkningsarbetet används Finita Elementmetoden (FEM) som är en numerisk metod för att lösa partiella differentialekvationer med hjälp av datorer. Sedan 1980-talet har FEM fått mycket bred användning inom vetenskap och teknologi eftersom den tillåter att mycket komplexa tekniska problem kan analyseras i detalj. Inom t.ex. konstruktion används FEM bland annat för hållfasthetsanalys. FEM är integrerat i moderna CAD-system (BIM) vilket tillåter konstruktörer att snabbt och realistiskt kontrollera hållfastheten på detaljer som ännu inte existerar annat än som datormodeller. Metoden innebär att man utför ett antal aktiviteter för att bestämma beräkningsmodellen och för att utföra beräkningen. Dessa aktiviteter är:

a) Definiera geometrinb) Definiera upplags- och randvillkorc) Definiera tvärsnitts- och materialegenskaperd) Definiera lastere) Definiera elementindelningenf) Utför analyseng) Beräkna resultaten

I den efterföljande processbeskrivningen förklaras de olika stegen i arbetet med en modellbaserad konstruktionsberäkning. I processbeskrivningen refereras till det undervisningsmaterial i form av instruktionsfilmer och övrigt material som finns som stöd i genomförandet av övningsmomentet.

1. Definiera geometrin

Att definiera geometrin för den konstruktion som man vill analysera är oftast en av de mer omfattande arbetsuppgifterna i en konstruktionsberäkning. Geometrin kan matas in direkt i beräkningsprogrammet eller genereras i en grafisk ”preprocessor” till beräkningsprogrammet.

Utöver beräkningsmodellen så behöver man även ta fram konstruktionshandlingar för aktuell konstruktion. Detta arbete utförs oftast med hjälp av ett CAD-program eller med hjälp av BIM där man bygger tredimensionella modeller av konstruktionen som sedan ligger till grund för ritningsgenerering. Det ovan beskrivna förfaringssättet innebär att geometrin matas in två eller flera gånger vilket får till följd att risken för fel ökar samtidigt som tidsåtgången ökar.

Ett alternativ till detta förfarande är att ur BIM-modellen generera geometrin för beräkningsmodellen. På detta vis undviks dubbelarbete och riskerna för felinmatningar minskar.

Undervisningsmaterialet är utvecklat med stöd av Byggrådet 5

Processbeskrivning – Modellbaserad konstruktionsberäkning

I denna uppgift använder vi oss av möjligheten att använda geometrin från modellen genererad med hjälp av BIM.

Figur 4. Beräkningsmodellens geometri

Definiera geometrin – Övningsinstruktioner

I uppgiften ska vi använda filen ”Test 1 Kmodell_2013.rvt” som innehåller uppgifter om stommens geometri för ”Studenthemmet”. I Revit ska vi exportera geometrin från Revit-modellen till en Autodesk Robot Structural Analysis RTD fil. Detta visas i instruktionsfilmen:

”Film 1 export revit till robot.mp4”

När vi har gjort exporten ska vi öppna filen i Robot och titta på den skapade beräkningsmodellen. Detta visas i instruktionsfilmen:

”Film 2 Öppna fil Robot – Navigering.mp4”

2. Definiera upplags- och randvillkor

I beräkningsmodellen måste vi definiera upplags- och randvillkor så att modellen inte ”ger sig iväg” när vi lägger på last. Randvillkoren kan vara av olika slag såsom punktstöd och linjestöd. De olika stöden kan också ges olika egenskaper såsom rulle, fast inspänning, fjäderstyvheter m.m. I denna uppgift använder vi oss av punktstöd för pelarna och linjestöd för väggskivorna. Punktstöden avser pålfundamenten för pelarna och dessa modelleras i form av en fjäderstyvhet i z-led. Linjestöden används för att modellera väggskivornas anslutning till den pålade grundsulan och här använder vi oss av fjäderstyvheter i y- och z-led.

Figur 5. Randvillkor för pelare

Undervisningsmaterialet är utvecklat med stöd av Byggrådet 6

Processbeskrivning – Modellbaserad konstruktionsberäkning

Definiera upplags- och randvillkor – Övningsinstruktioner

I Robot använder vi oss av funktionen ”punktstöd” för att modellera kopplingen pelare och pålfundament. Detta visas i instruktionsfilmen:

”Film 3a Upplag och randvillkor – punktstöd”

Vi använder oss av funktionen ”linjestöd” i Robot för att modellera kopplingen väggskiva och grundsula. Detta visas i instruktionsfilmen:

”Film 3b Upplag och randvillkor – linjestöd”

3. Definiera tvärsnitts- och materialegenskaper

I beräkningsmodellen behöver tvärsnitts- och materialegenskaper vara definierade för pelare, väggskivor och bjälklag. I vissa fall hämtas dessa egenskaper från BIM-objekten men dessa egenskaper kan även justeras i beräkningsprogrammet. I vår uppgift så ändrar vi betongkvaliteten till C30/37 för pelare och bjälklag.

Definiera tvärsnitts- och materialegenskaper – Övningsinstruktioner

I Robot använder vi oss av funktionen ”ändra egenskaper” för att ändra betongkvaliteten på pelarna. Detta visas i instruktionsfilmen:

”Film 4a Tvärsnitt och material – Pelare”

I Robot använder vi oss av funktionen ”ändra egenskaper” för att ändra betongkvaliteten för bjälklagen. Detta visas i instruktionsfilmen:

”Film 4b Tvärsnitt och material – Skalelement”

4. Definiera laster

Beräkningsmodellen behöver kompletteras med laster av olika slag. Dessa kan vara egenvikter, nyttiga laster, vindlaster, snölaster etc. I modellen kan dessa påföras som punktlaster, linjelaster och ytlaster. En del av lasterna, t.ex. egenvikterna, kan hämtas direkt från BIM-modellen medan andra kan påföras i beräkningsprogrammet. I vår uppgift påför vi bl.a. nyttiga laster som ytlaster på bjälklagen och linjelaster som uppkommer från egenvikten av fasaderna. De olika lasterna kan sedan sättas samman till olika lastkombinationer där även olika partialkoefficienter kan påföras på de ingående lasterna.

Figur 6. Ytlaster på ett bjälklag

Definiera laster – Övningsinstruktioner

I Robot använder vi oss av funktionen ”ytlaster” för att påföra den nyttiga lasten på bjälklagen. Detta visas i instruktionsfilmen:

”Film 5a Laster – Ytlaster”

I Robot använder vi oss av funktionen ”linjelaster” för att påföra egenvikten av fasaden på bjälklagen. Detta visas i instruktionsfilmen:

”Film 5b Laster – Linjelast”

Undervisningsmaterialet är utvecklat med stöd av Byggrådet 7

Processbeskrivning – Modellbaserad konstruktionsberäkning

I Robot använder vi oss av funktionen ”lastkombinationer” för att skapa de aktuella lastkombinationerna. Detta visas i instruktionsfilmen:

”Film 6 Lastkombinationer”

5. Definiera elementindelningen

Nästa steg i processen är att skapa elementindelningen för väggar, bjälklag och pelare. I de flesta beräkningsprogram finns det någon form av automatisk nätgenerator. För att åstadkomma lämpliga indelningar kan man oftast behöva styra elementindelningen med avseende på t.ex. max storlek på elementen. I vårt exempel väljer vi att styra maximal elementlängt till 0,2 m.

Figur 7. Del av elementindelning

Definiera elementindelningen – Övningsinstruktioner

I Robot använder vi oss av funktionen ”nätgenerering” för att skapa FEM-nätet. Detta visas i instruktionsfilmen:

”Film 7 FEM mesh”

6. Utför analysen

När vi har genererat nätet, påfört laster och randvillkor kan vi starta beräkningen. I vårt fall väljer vi att utföra en linjär beräkning med statiska laster. Beräkningen innebär att det bildas en styvhetsmatris för hela stommen samt en eller flera lastvektorer. Ur detta ekvationssystem beräknas sedan deformationerna i varje nodpunkt. Med hjälp av dessa kan vi sedan beräkna stödreaktioner, snittkrafter, spänningar mm.

Utför analysen – Övningsinstruktioner

I Robot använder vi oss av funktionen ”analys” för att utföra beräkningen.. Detta visas i instruktionsfilmen:

”Film 8 Analys”

7. Generera resultaten

Användningen av FEM ger oss många olika möjligheter att ta fram olika typer av resultat t.ex. deformationer, stödreaktioner, snittkrafter och spänningar. Resultaten kan redovisas i listform, som diagram, konturplottar mm. I vår uppgift är vi framför allt intresserade av stödreaktionerna vid pelarna samt deformationerna för bjälklag och väggar.

Undervisningsmaterialet är utvecklat med stöd av Byggrådet 8

Processbeskrivning – Modellbaserad konstruktionsberäkning

Figur 8. Deformationer i bjälklagen

Generera resultaten – Övningsinstruktioner

I Robot använder vi oss av funktionen ”diagram” för att visa stödreaktionerna. Detta visas i instruktionsfilmen:

”Film 9a Resultat – upplagsreaktioner”

I Robot använder vi oss av funktionen ”maps” för att illustrera deformationerna. Detta visas i instruktionsfilmen:

”Film 9b Resultat – deformationer"

8. Gör en rimlighetsbedömning av resultaten

I samband med all användning av FEM så är det viktigt att göra rimlighetsbedömningar av resultatet. Ett viktigt moment är att göra en enklare handberäkning och jämföra denna med de erhållna resultaten från FEM-analysen. Andra kontroller kan ske genom att man jämför summa laster i varje riktning (x,y och z) med summa framräknade stödreaktioner. En studie av deformationsmönstret kan också vara en bra metod att säkerställa att beräkningsmodellen har fungerat tillfredställande.

Gör en rimlighetsbedömning av resultaten – Övningsinstruktioner

I Robot kan man göra en jämförelse mellan summa laster och summa stödreaktioner; se instruktionsfilmen:

”Film 10c Tips - rimlighetsbedömning av lastindata”

9. Tips

Övningsinstruktioner

Revit och Robot innehåller en stor mängd funktioner som ger oss alla möjligheter att hantera vår beräkningsmodell och att visualisera denna och vårt resultat.

I instruktionsfilmerna nedan ges några användbara tips kring hanteringen av beräkningsmodellen: ”Film 10a Tips - olika vyer” ”Film 10b Tips - indata i tabellform”

Undervisningsmaterialet är utvecklat med stöd av Byggrådet 9